Molecular basis of the post-meiotic male genome programming

La chromatine des cellules spermatogèniques subit une réorganisation radicale pendant la spermiogenèse. Ce phénomène se produit pour deux raisons principales : premièrement, pour établir un génome très compact par l'incorporation de protamine, afin de protéger le génome du sperme avant et pendant la fécondation. Deuxièmement, afin de transférer avec succès l'information paternelle portée par le génome du sperme, à la génération suivante. Récemment, notre laboratoire a identifié différents acteurs et mécanismes moléculaires, qui sont au cœur de cette réorganisation radicale du génome. Une hyperacétylation des histones à l'échelle du génome amorce le processus de remplacement des histones par des protéines de transition et des protamines. Notre laboratoire a identifié NUT (Nuclear protein in Testis) comme le principal regulateur de l'hyperacétylation des histones au début du processus de transition histone-protamine. NUT par recrutement d'histone acétyltransférase CBP/p300, induit une hyperacétylation de l'histone H4 principalement au niveau des résidus lysine 5 et lysine 8. Ensuite, le premier bromodomaine de BRDT (bromodomaine contenant le facteur spécifique du test) reconnaît l'acétylation des histones et déclenche le processus d'élimination des histones. Le variant H2A.L.2 (H2A.Like 2) spécifique au testicule, forme un dimère avec le variant d'histone H2B, TH2B, au moment de l’éviction des histones dans les spermatides allongés. Le dimère H2A.L.2-TH2B s'incorpore alors dans la chromatine et ouvre la structure du nucléosome. Ceci permet l'invasion des histones par les protéines de transition ainsi que le traitement pré-protaminique. Les protamines déplacent finalement les complexes histone-TPs et compactele génome. Auparavant, notre laboratoire a rapporté qu'une fraction de H2A.L.2 resteassociée à des régions hétérochromatines péricentriques dans les spermatozoïdes matures. Au cours de mon doctorat, nous avons d'abord découvert les bases structurelles et moléculaires de l'activation du CBP/p300. Nous spéculons que les mêmes mécanismes pourraient mener à l'acétylation des histones induite par Nut-p300-dépendante, menant à l'initiation de l'élimination des histones dans les phases post-méiotiques de la spermatogenèse. Nous avons démontré également que la dissociation des nucléosomes à la suite de l'incorporation du H2A.L.2-TH2B permet au dimère H2A.L.2-TH2B de s'associer à l'ADN de façon stable, tandis que le tétramère H3-H4 est déplacé. Ceci conduit à la génération de structures à base de dimères H2A.L.2-TH2B, qui persistent dans le sperme mature. De plus, nous avons déchiffré la base moléculaire de la capacité intrinsèque de H2A.L.2 à cibler les régions hétérochromatines péricentriques. Nous avons également identifié un rôle critique vis-à-vis de l'ARN dans la régulation et le contrôle du renouvellement et de la localisation d’ H2A.L.2 dans les régions hétérochromatines péricentriques. En conclusion, nos travaux mettent en évidence la présence de structures à base de dimères dans la chromatine du sperme, ainsi qu'une reprogrammation spécifique de l'hétérochromatine péricentrique masculine. Ceci pourrait porter des informations essentielles transmissibles à la génération suivante.Spermatogenic cell chromatin undergoes a drastic reorganisation during spermiogenesis. This phenomenon occurs for two principles reasons: first, to establish a highly compact genome through protamine incorporation, in order to protect the sperm genome before and upon fertilization. Second, in order to successfully transfer the paternal information carried by the sperm genome, to the next generation. Recently, our laboratory identified various actors and molecular mechanisms, which are at the heart of this drastic genome reorganisation. A genome-wide histone hyperacetylation initiates the process of histone replacement by transition proteins and protamines. Our laboratory identified NUT (Nuclear protein in Testis) as the main player of histone hyperacetylation at the onset of histone-to-protamine transition process. NUT through recruitment of histone acetyltransferase CBP/p300, induces histone H4 hyperacetylation mainly at lysine 5 and lysine 8 residues. Next, first bromodomain of BRDT (Bromodomain containing Testis-specific factor) recognizes histone acetylation and initiates the process of histone removal. Previously identified testis-specific H2A variant, H2A.L.2 (H2A.Like 2), forms dimer with histone H2B variant TH2B at the time of histone eviction in elongating spermatids. The dimer H2A.L.2-TH2B then incorporates into the chromatin and opens the nucleosome structure, which allows the invasion of histones by transition proteins as well as pre-protamine processing. Protamines finally displace histone-TPs complexes and re-package the genome. Previously, our laboratory reported that a fraction of H2A.L.2 is associated with pericentric heterochromatin regions in mature spermatozoa. During my PhD, first we discovered the structural and molecular basis of the activation of CBP/p300. We speculate that the same mechanisms could lead to the Nut-p300-dependent induced histone acetylation, leading to the initiation of histone removal in post-meiotic phases of spermatogenesis. Second, we demonstrated that nucleosome dissociation following H2A.L.2 incorporation provides an opportunity for H2A.L.2-TH2B dimer to associate to DNA in a stable manner, while H3-H4 tetramer is being displaced. This leads to the generation of H2A.L.2-TH2B dimer-based structures, which persist in mature sperm. In addition, we deciphered the molecular basis of the intrinsic ability of H2A.L.2 to target the pericentric heterochromatin regions. We also identified a critical role for RNA in regulating and in controlling the turnover and localisation of H2A.L.2 in pericentric heterochromatin regions. In conclusion, our work highlights the presence of dimer-based structures within the sperm chromatin, as well as a specific re-programming of the male pericentric heterochromatin, which might bear crucial information transmittable to the next generation

Base moléculaire de la programmation post-méiotique du génome mâle

Spermatogenic cell chromatin undergoes a drastic reorganisation during spermiogenesis. This phenomenon occurs for two principles reasons: first, to establish a highly compact genome through protamine incorporation, in order to protect the sperm genome before and upon fertilization. Second, in order to successfully transfer the paternal information carried by the sperm genome, to the next generation. Recently, our laboratory identified various actors and molecular mechanisms, which are at the heart of this drastic genome reorganisation. A genome-wide histone hyperacetylation initiates the process of histone replacement by transition proteins and protamines. Our laboratory identified NUT (Nuclear protein in Testis) as the main player of histone hyperacetylation at the onset of histone-to-protamine transition process. NUT through recruitment of histone acetyltransferase CBP/p300, induces histone H4 hyperacetylation mainly at lysine 5 and lysine 8 residues. Next, first bromodomain of BRDT (Bromodomain containing Testis-specific factor) recognizes histone acetylation and initiates the process of histone removal. Previously identified testis-specific H2A variant, H2A.L.2 (H2A.Like 2), forms dimer with histone H2B variant TH2B at the time of histone eviction in elongating spermatids. The dimer H2A.L.2-TH2B then incorporates into the chromatin and opens the nucleosome structure, which allows the invasion of histones by transition proteins as well as pre-protamine processing. Protamines finally displace histone-TPs complexes and re-package the genome. Previously, our laboratory reported that a fraction of H2A.L.2 is associated with pericentric heterochromatin regions in mature spermatozoa. During my PhD, first we discovered the structural and molecular basis of the activation of CBP/p300. We speculate that the same mechanisms could lead to the Nut-p300-dependent induced histone acetylation, leading to the initiation of histone removal in post-meiotic phases of spermatogenesis. Second, we demonstrated that nucleosome dissociation following H2A.L.2 incorporation provides an opportunity for H2A.L.2-TH2B dimer to associate to DNA in a stable manner, while H3-H4 tetramer is being displaced. This leads to the generation of H2A.L.2-TH2B dimer-based structures, which persist in mature sperm. In addition, we deciphered the molecular basis of the intrinsic ability of H2A.L.2 to target the pericentric heterochromatin regions. We also identified a critical role for RNA in regulating and in controlling the turnover and localisation of H2A.L.2 in pericentric heterochromatin regions. In conclusion, our work highlights the presence of dimer-based structures within the sperm chromatin, as well as a specific re-programming of the male pericentric heterochromatin, which might bear crucial information transmittable to the next generation.La chromatine des cellules spermatogèniques subit une réorganisation radicale pendant la spermiogenèse. Ce phénomène se produit pour deux raisons principales : premièrement, pour établir un génome très compact par l'incorporation de protamine, afin de protéger le génome du sperme avant et pendant la fécondation. Deuxièmement, afin de transférer avec succès l'information paternelle portée par le génome du sperme, à la génération suivante. Récemment, notre laboratoire a identifié différents acteurs et mécanismes moléculaires, qui sont au cœur de cette réorganisation radicale du génome. Une hyperacétylation des histones à l'échelle du génome amorce le processus de remplacement des histones par des protéines de transition et des protamines. Notre laboratoire a identifié NUT (Nuclear protein in Testis) comme le principal regulateur de l'hyperacétylation des histones au début du processus de transition histone-protamine. NUT par recrutement d'histone acétyltransférase CBP/p300, induit une hyperacétylation de l'histone H4 principalement au niveau des résidus lysine 5 et lysine 8. Ensuite, le premier bromodomaine de BRDT (bromodomaine contenant le facteur spécifique du test) reconnaît l'acétylation des histones et déclenche le processus d'élimination des histones. Le variant H2A.L.2 (H2A.Like 2) spécifique au testicule, forme un dimère avec le variant d'histone H2B, TH2B, au moment de l’éviction des histones dans les spermatides allongés. Le dimère H2A.L.2-TH2B s'incorpore alors dans la chromatine et ouvre la structure du nucléosome. Ceci permet l'invasion des histones par les protéines de transition ainsi que le traitement pré-protaminique. Les protamines déplacent finalement les complexes histone-TPs et compactele génome. Auparavant, notre laboratoire a rapporté qu'une fraction de H2A.L.2 resteassociée à des régions hétérochromatines péricentriques dans les spermatozoïdes matures. Au cours de mon doctorat, nous avons d'abord découvert les bases structurelles et moléculaires de l'activation du CBP/p300. Nous spéculons que les mêmes mécanismes pourraient mener à l'acétylation des histones induite par Nut-p300-dépendante, menant à l'initiation de l'élimination des histones dans les phases post-méiotiques de la spermatogenèse. Nous avons démontré également que la dissociation des nucléosomes à la suite de l'incorporation du H2A.L.2-TH2B permet au dimère H2A.L.2-TH2B de s'associer à l'ADN de façon stable, tandis que le tétramère H3-H4 est déplacé. Ceci conduit à la génération de structures à base de dimères H2A.L.2-TH2B, qui persistent dans le sperme mature. De plus, nous avons déchiffré la base moléculaire de la capacité intrinsèque de H2A.L.2 à cibler les régions hétérochromatines péricentriques. Nous avons également identifié un rôle critique vis-à-vis de l'ARN dans la régulation et le contrôle du renouvellement et de la localisation d’ H2A.L.2 dans les régions hétérochromatines péricentriques. En conclusion, nos travaux mettent en évidence la présence de structures à base de dimères dans la chromatine du sperme, ainsi qu'une reprogrammation spécifique de l'hétérochromatine péricentrique masculine. Ceci pourrait porter des informations essentielles transmissibles à la génération suivante

Base moléculaire de la programmation post-méiotique du génome mâle

Spermatogenic cell chromatin undergoes a drastic reorganisation during spermiogenesis. This phenomenon occurs for two principles reasons: first, to establish a highly compact genome through protamine incorporation, in order to protect the sperm genome before and upon fertilization. Second, in order to successfully transfer the paternal information carried by the sperm genome, to the next generation. Recently, our laboratory identified various actors and molecular mechanisms, which are at the heart of this drastic genome reorganisation. A genome-wide histone hyperacetylation initiates the process of histone replacement by transition proteins and protamines. Our laboratory identified NUT (Nuclear protein in Testis) as the main player of histone hyperacetylation at the onset of histone-to-protamine transition process. NUT through recruitment of histone acetyltransferase CBP/p300, induces histone H4 hyperacetylation mainly at lysine 5 and lysine 8 residues. Next, first bromodomain of BRDT (Bromodomain containing Testis-specific factor) recognizes histone acetylation and initiates the process of histone removal. Previously identified testis-specific H2A variant, H2A.L.2 (H2A.Like 2), forms dimer with histone H2B variant TH2B at the time of histone eviction in elongating spermatids. The dimer H2A.L.2-TH2B then incorporates into the chromatin and opens the nucleosome structure, which allows the invasion of histones by transition proteins as well as pre-protamine processing. Protamines finally displace histone-TPs complexes and re-package the genome. Previously, our laboratory reported that a fraction of H2A.L.2 is associated with pericentric heterochromatin regions in mature spermatozoa. During my PhD, first we discovered the structural and molecular basis of the activation of CBP/p300. We speculate that the same mechanisms could lead to the Nut-p300-dependent induced histone acetylation, leading to the initiation of histone removal in post-meiotic phases of spermatogenesis. Second, we demonstrated that nucleosome dissociation following H2A.L.2 incorporation provides an opportunity for H2A.L.2-TH2B dimer to associate to DNA in a stable manner, while H3-H4 tetramer is being displaced. This leads to the generation of H2A.L.2-TH2B dimer-based structures, which persist in mature sperm. In addition, we deciphered the molecular basis of the intrinsic ability of H2A.L.2 to target the pericentric heterochromatin regions. We also identified a critical role for RNA in regulating and in controlling the turnover and localisation of H2A.L.2 in pericentric heterochromatin regions. In conclusion, our work highlights the presence of dimer-based structures within the sperm chromatin, as well as a specific re-programming of the male pericentric heterochromatin, which might bear crucial information transmittable to the next generation.La chromatine des cellules spermatogèniques subit une réorganisation radicale pendant la spermiogenèse. Ce phénomène se produit pour deux raisons principales : premièrement, pour établir un génome très compact par l'incorporation de protamine, afin de protéger le génome du sperme avant et pendant la fécondation. Deuxièmement, afin de transférer avec succès l'information paternelle portée par le génome du sperme, à la génération suivante. Récemment, notre laboratoire a identifié différents acteurs et mécanismes moléculaires, qui sont au cœur de cette réorganisation radicale du génome. Une hyperacétylation des histones à l'échelle du génome amorce le processus de remplacement des histones par des protéines de transition et des protamines. Notre laboratoire a identifié NUT (Nuclear protein in Testis) comme le principal regulateur de l'hyperacétylation des histones au début du processus de transition histone-protamine. NUT par recrutement d'histone acétyltransférase CBP/p300, induit une hyperacétylation de l'histone H4 principalement au niveau des résidus lysine 5 et lysine 8. Ensuite, le premier bromodomaine de BRDT (bromodomaine contenant le facteur spécifique du test) reconnaît l'acétylation des histones et déclenche le processus d'élimination des histones. Le variant H2A.L.2 (H2A.Like 2) spécifique au testicule, forme un dimère avec le variant d'histone H2B, TH2B, au moment de l’éviction des histones dans les spermatides allongés. Le dimère H2A.L.2-TH2B s'incorpore alors dans la chromatine et ouvre la structure du nucléosome. Ceci permet l'invasion des histones par les protéines de transition ainsi que le traitement pré-protaminique. Les protamines déplacent finalement les complexes histone-TPs et compactele génome. Auparavant, notre laboratoire a rapporté qu'une fraction de H2A.L.2 resteassociée à des régions hétérochromatines péricentriques dans les spermatozoïdes matures. Au cours de mon doctorat, nous avons d'abord découvert les bases structurelles et moléculaires de l'activation du CBP/p300. Nous spéculons que les mêmes mécanismes pourraient mener à l'acétylation des histones induite par Nut-p300-dépendante, menant à l'initiation de l'élimination des histones dans les phases post-méiotiques de la spermatogenèse. Nous avons démontré également que la dissociation des nucléosomes à la suite de l'incorporation du H2A.L.2-TH2B permet au dimère H2A.L.2-TH2B de s'associer à l'ADN de façon stable, tandis que le tétramère H3-H4 est déplacé. Ceci conduit à la génération de structures à base de dimères H2A.L.2-TH2B, qui persistent dans le sperme mature. De plus, nous avons déchiffré la base moléculaire de la capacité intrinsèque de H2A.L.2 à cibler les régions hétérochromatines péricentriques. Nous avons également identifié un rôle critique vis-à-vis de l'ARN dans la régulation et le contrôle du renouvellement et de la localisation d’ H2A.L.2 dans les régions hétérochromatines péricentriques. En conclusion, nos travaux mettent en évidence la présence de structures à base de dimères dans la chromatine du sperme, ainsi qu'une reprogrammation spécifique de l'hétérochromatine péricentrique masculine. Ceci pourrait porter des informations essentielles transmissibles à la génération suivante

Histone variants: essential actors in male genome programming

International audiencePrior to its transmission to the offspring, the male genome has to be tightly compacted. A genome-scale histone eviction and the subsequent repackaging of DNA by protamines (Prms) direct this essential genome condensation step. The requirement for male germ cells to undergo such a dramatic and unique genome reorganization explains why these cells express the largest number of histone variants, including many testis-specific ones. Indeed, an open chromatin, nucleo-some instability and a facilitated process of histone dis-assembly are direct consequences of the presence of these histone variants in the chromatin of male germ cells. These histone-induced changes in chromatin first control a stage-specific gene expression program and then directly mediate the histone-to-Prm transition process. This review aims at summarizing and discussing a series of recent functional studies of male germ cell histone variants with a focus on their impact on the process of his-tone eviction and male genome compaction

RNA-Guided Genomic Localization of H2A.L.2 Histone Variant

International audienceThe molecular basis of residual histone retention after the nearly genome-wide histone-to-protamine replacement during late spermatogenesis is a critical and open question. Our previous investigations showed that in postmeiotic male germ cells, the genome-scale incorporation of histone variants TH2B-H2A.L.2 allows a controlled replacement of histones by protamines to occur. Here, we highlight the intrinsic ability of H2A.L.2 to specifically target the pericentric regions of the genome and discuss why pericentric heterochromatin is a privileged site of histone retention in mature spermatozoa. We observed that the intranuclear localization of H2A.L.2 is controlled by its ability to bind RNA, as well as by an interplay between its RNA-binding activity and its tropism for pericentric heterochromatin. We identify the H2A.L.2 RNA-binding domain and demonstrate that in somatic cells, the replacement of H2A.L.2 RNA-binding motif enhances and stabilizes its pericentric localization, while the forced expression of RNA increases its homogenous nuclear distribution. Based on these data, we propose that the specific accumulation of RNA on pericentric regions combined with H2A.L.2 tropism for these regions are responsible for stabilizing H2A.L.2 on these regions in mature spermatozoa. This situation would favor histone retention on pericentric heterochromatin

Structural insights into p300 regulation and acetylation-dependent genome organisation

Histone modifications are deposited by chromatin modifying enzymes and read out by proteins that recognize the modified state. BRD4-NUT is an oncogenic fusion protein of the acetyl lysine reader BRD4 that binds to the acetylase p300 and enables formation of long-range intra- and interchromosomal interactions. We here examine how acetylation reading and writing enable formation of such interactions. We show that NUT contains an acidic transcriptional activation domain that binds to the TAZ2 domain of p300. We use NMR to investigate the structure of the complex and found that the TAZ2 domain has an autoinhibitory role for p300. NUT-TAZ2 interaction or mutations found in cancer that interfere with autoinhibition by TAZ2 allosterically activate p300. p300 activation results in a self-organizing, acetylation-dependent feed-forward reaction that enables long-range interactions by bromodomain multivalent acetyl-lysine binding. We discuss the implications for chromatin organisation, gene regulation and dysregulation in disease

Transcription factor dimerization activates the p300 acetyltransferase

The transcriptional co-activator p300 is a histone acetyltransferase (HAT) that is typically recruited to transcriptional enhancers and regulates gene expression by acetylating chromatin. Here we show that the activation of p300 directly depends on the activation and oligomerization status of transcription factor ligands. Using two model transcription factors, IRF3 and STAT1, we demonstrate that transcription factor dimerization enables the trans-autoacetylation of p300 in a highly conserved and intrinsically disordered autoinhibitory lysine-rich loop, resulting in p300 activation. We describe a crystal structure of p300 in which the autoinhibitory loop invades the active site of a neighbouring HAT domain, revealing a snapshot of a trans-autoacetylation reaction intermediate. Substrate access to the active site involves the rearrangement of an autoinhibitory RING domain. Our data explain how cellular signalling and the activation and dimerization of transcription factors control the activation of p300, and therefore explain why gene transcription is associated with chromatin acetylation