Régler le réveil du génome embryonnaire

Le développement harmonieux d’un organisme pluricellulaire nécessite un contrôle spatio-temporel de l’expression des gènes, ainsi qu’une transmission fidèle de cette expression au cours de multiples divisions.

En utilisant l’embryon de drosophile comme organisme modèle, il est possible de suivre en temps réel le réveil du génome dans un embryon vivant et l’héritabilité de cette information génétique à chaque division cellulaire. Ainsi, une mémoire de l’activité transcriptionnelle entre un noyau "mère" et ses "filles" (issues de la division du noyau mère) a récemment pu être visualisée et quantifiée dans l’embryon de drosophile. En quantifiant les temps d’activation à la 13eme division (nc14) du zygote, un biais clair a pu être identifié entre les noyaux dont les mères étaient transcriptionnellement actives au cycle précédent et les noyaux voisins issus de mères inactives. Ce biais dans les temps d’activation est une mesure de la mémoire mitotique.

Afin de comprendre quels sont les mécanismes régulant cette mémoire, les chercheurs se sont intéressés à l’activateur transcriptionnel Zelda, un facteur pionnier aux fonctions clés lors des premières heures de développement de la drosophile. En quantifiant précisément les temps d’activation de plusieurs transgènes possédant un nombre croissant de sites de fixation de Zelda, les chercheurs ont démontré que Zelda modulait le timing de la transcription (Figure A). En distinguant les temps d’activation de noyaux provenant de mères actives de ceux issus de mères inactives, les chercheurs ont montré que Zelda accélérait le tempo de ces deux types de populations et tendait de ce fait à supprimer le biais de mémoire mitotique.

Un modèle mathématique a été développé et a permis de mieux appréhender le rôle de Zelda sur le nombre et la durée des étapes nécessaires à l’activation de la transcription. Les temps d’attente précédant une activation de la transcription sont ici modélisés par une série de transitions entre des états épigénétiques discrets, tel un escalier (Figure B). Les variables du modèle sont le nombre et la durée de chaque transition. Le modèle ainsi que les données biologiques suggèrent que Zelda agit principalement sur la durée (et non le nombre) des étapes de pré-initiation de la transcription.

En analysant la cinétique de la protéine Zelda au cours du cycle cellulaire via des expériences d’imagerie quantitatives (Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP) et Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS)), les chercheurs ont pu révélerque Zelda n’était pas retenu pendant la mitose, mais que ce facteur pionnier était très dynamique, ne se liant à la chromatine que pendant quelques secondes in vivo. Cependant cette liaison transitoire pourrait être compensée par une augmentation locale de sa concentration. En effet les chercheurs ont démontré que Zelda s’accumulait au sein de microenvironnements nucléaires (‘hubs’). L’accumulation de Zelda dans ces microenvironnements favoriserait une coopérativité entre plusieurs facteurs de transcription et/ou le rapprochement de plusieurs séquences d’ADN cibles (enhancers). L’ensemble de ces travaux, issus d’une recherche interdisciplinaire et hautement collaborative (CNRS-IGMM, CNRS-IRIM, Université de Montpellier et Université du Wisconsin à Madison) ouvre des nouvelles pistes pour mieux comprendre le comportement dynamique de la machinerie responsable de l’activation des gènes et de l’organisation nucléaire durant le développement embryonnaire.

En savoir plus

• Temporal control of gene expression by the pioneer factor Zelda through transient interactions in hubs.
  Dufourt J, Trullo A, Hunter J, Fernandez C, Lazaro J, Dejean M, Morales L, Nait-Amer S, Schulz KN, Harrison MM, Favard C, Radulescu O, Lagha M.
  Nat Commun. 2018 Dec 5;9(1):5194. doi: 10.1038/s41467-018-07613-z.