Le remodelage 3D de la chromatine dans la lignée germinale module la plasticité évolutive du génome

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 2608 (2022) Citer cet article

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Le repliement des chromosomes a de profonds impacts sur la régulation des gènes, dont les conséquences évolutives sont loin d'être comprises. Nous explorons ici la relation entre le remodelage 3D de la chromatine dans les cellules germinales de souris et les changements évolutifs dans la structure du génome. À l'aide d'une analyse informatique intégrative complète, nous (i) reconstruisons sept génomes de rongeurs ancestraux en analysant les séquences du génome entier de 14 espèces représentatives des principaux phylogroupes, (ii) détectons les réarrangements chromosomiques spécifiques à la lignée et (iii) identifions la dynamique des structures et propriétés épigénétiques des régions de points de rupture évolutives (EBR) tout au long de la spermatogenèse de la souris. Nos résultats montrent que les EBR sont dépourvus de cassures double brin (DSB) méiotiques programmées de l'ADN et de cohésines méiotiques dans les spermatocytes primaires, mais sont associés dans les cellules post-méiotiques à des sites de dommages à l'ADN et à des régions d'interaction fonctionnelles à longue portée qui récapitulent les configurations chromosomiques ancestrales. . Dans l’ensemble, nous proposons un modèle qui intègre le remaniement évolutif du génome aux mécanismes de réponse aux dommages de l’ADN et à l’organisation spatiale dynamique du génome des cellules germinales.

Dévoiler les bases génomiques de la spéciation est une priorité majeure de la recherche en biologie, alimentée par la disponibilité d'un nombre sans précédent de ressources génomiques. La génomique comparative d'espèces de mammifères étroitement apparentées et lointaines a révélé que les régions génomiques impliquées dans les changements évolutifs structurels sont regroupées dans des régions plus susceptibles de se briser et de se réorganiser1,2,3,4. Dans ce contexte, les régions de points de rupture évolutives (EBR) sont considérées comme des régions génomiques impliquées dans des changements évolutifs structurels qui perturbent les régions synténiques génomiques1,2,3,4. En recherchant l'origine et les implications fonctionnelles de ces réarrangements évolutifs, la recherche a mis en évidence des éléments répétitifs comme facteurs possibles1,5,6, tandis que les changements dans l'expression des gènes provoqués par le remaniement du génome peuvent fournir un avantage sélectif grâce au développement de nouveaux caractères adaptatifs spécifiques à lignées de mammifères3,4,7,8,9. Compte tenu de la diversité des facteurs associés aux EBR, il est très peu probable que la composition des séquences des génomes soit seule responsable de l'instabilité génomique au cours de l'évolution, et que la régulation du repliement du génome 3D soit également un facteur critique8,10,11,12.

Les génomes des mammifères sont intégrés dans une structure de chromatine dont la régulation dépend de plusieurs couches d'organisation superposées, y compris des territoires chromosomiques au sein desquels la chromatine est organisée en compartiments (ouverts/fermés), eux-mêmes constitués de domaines topologiquement associés (TAD) et d'ADN. boucles10,13,14. La caractérisation de l'évolution de la conformation de la chromatine et des interactions ADN-protéine au cours de la diversification chez les mammifères fournit une nouvelle hypothèse interprétative sur le(s) mécanisme(s) responsable(s) de l'origine de l'architecture et de la plasticité du génome10,15,16. Des locus distants au sein du génome interagissent de manière régulatrice au cours du cycle cellulaire12,14,15, affectant leur fonction ultime, fournissant ainsi des bases pour explorer la dynamique de la composition du génome, les relations évolutives entre les espèces et, à long terme, la spéciation. Ce point de vue a été unifié par le « modèle de rupture intégrative », une hypothèse évolutive interprétative qui postule que la permissivité des régions génomiques à se réorganiser peut être déterminée par la structure de la chromatine d'ordre supérieur10,11.

Comme pour tout changement d'état évolutif, les réorganisations chromosomiques qui prennent leur origine dans la lignée germinale avant la méiose (prolifération des cellules germinales primordiales, spermatogonies et ovogonies), au cours de la division méiotique (spermatocytes et ovocytes) ou aux stades post-méiotiques (c'est-à-dire spermatides rondes) peuvent être transmis aux générations suivantes. Dans de tels cas, les réorganisations chromosomiques peuvent réduire le flux génétique et potentiellement contribuer à la spéciation en supprimant la recombinaison dans les régions réorganisées entre des populations chromosomiquement différentes mais contiguës16,17,18,19. De faibles niveaux de recombinaison pourraient conduire à une divergence et à une fixation élevées de nouvelles mutations dans ces régions20, ce qui, combiné à la présence de gènes liés à des pressions évolutives spécifiques à l'espèce, pourrait renforcer la valeur adaptative des EBR dans la lignée germinale8. Des travaux théoriques ont suggéré que des réarrangements héréditaires se produiraient dans les régions génomiques accessibles dans les cellules germinales et/ou aux premiers stades de développement totipotents10, soulignant l'existence d'un rôle contraignant des EBR dans la lignée germinale qui nécessite des recherches plus approfondies.

98% of the genome with at least 0.1% each. The trivalent state with all three histone marks (E6-E6-E6) was also included, representing a coverage of 0.029% of the mouse genome and making a total of 35 combinations studied (Fig. 2C, Supplementary Fig 6 and Supplementary Table 5)./p> 0.01, p < 0.05) with active or poised chromatin (Fig. 3A and Supplementary Fig 7). This association was stronger with states that transition to E6 and E8 in spermatids (normalised z-score > 0.05, p < 0.05), particularly with those EBRs that occurred in the mouse lineage, suggesting that EBRs occur in chromatin environments prone to rapid change during spermatogenesis./p> 0.01, p < 0.05) (Fig. 3A and Supplementary Fig 7). In particular, EBRs are associated with the ‘closed’ B compartment in pre-meiotic spermatogonia, but with the ‘open’ A compartment in meiotic spermatocytes and post-meiotic spermatids (Fig. 3B and Supplementary Fig 7). Consistent with this, EBRs are associated with ‘closed’ chromatin environments (E0, E4, E5) in spermatogonia and ‘open’ chromatin environments (E2, E6, E8) in both primary spermatocytes and round spermatids. At a finer structural level, too, EBRs are associated with regions that undergo structural remodelling, being associated with TAD boundaries in spermatogonia and spermatocytes, but located within TADs in round spermatids (Fig. 3B and Supplementary Fig 7). Although EBRs were associated with TSS, these regions do not present high levels of expression in spermatogonia but are expressed more highly in round spermatids (Mann–Whitney test, p < 2.2e−16) (Supplementary Fig 8). Overall, our results suggest that EBRs localise preferentially in genomic regions that become accessible as spermatogenesis progresses. Furthermore, evolutionary rearrangements should not disrupt TAD structures in spermatogonia or spermatocytes but may do so in round spermatids./p> 1.3 are shown, ES is based on a FDR adjusted P value (Fisher’s exact test, two-sided). Abbreviations – EBRs evolutionary breakpoint regions, LRIs long-ranged interactions, GO gene ontology, FPKM fragments per kilobase of transcript per million fragments mapped./p> 1.3, see Methods) for genes related with sensory perception (ES = 13.6), lipid biosynthesis and gluconeogenesis (ES = 6.27), oxido-reduction processes (ES = 6.97), response to cytokines (ES = 1.94) and phagocytosis (ES = 1.74) (Supplementary Data 1). Additionally, 33% of these genes were members of relevant superfamilies, such as serpines, zinc finger proteins, olfactory receptors and vomeronasal receptors. Considering differentially expressed genes (DEG) in spermatids when compared to spermatogonia, primary spermatocytes and sperm, GO terms in intra-LRIs were narrowed down to signal transduction, ubiquitinization and chemotaxis, all important biological processes related to spermatogenesis (Fig. 4)./p>3, see Methods) of intra-LRIs with genomic regions located in other chromosomes (genome-wide approach). As such, we detected the presence of 119 spermatid specific inter-LRIs involving different mouse chromosomes (i.e., multiple interactions) (Fig. 4 and Supplementary Data 2). Out of the total 864 genes contained in inter-LRIs, 71% were protein-coding genes, 12% pseudogenes, 9% ncRNAs and 7% long non-coding RNAs. As for GO terms, we detected enrichment (p-value < 0.05 and ES > 1.3, see Methods) for genes associated with negative regulation of peptidase activity (ES = 2.8), G-protein coupled receptor signalling pathway (ES = 2.4), phagocytosis (ES = 2.04), response to cytokines (ES = 1.81), complement activation (ES = 1.68) and arachidonic acid metabolic process (ES = 1.5) (Supplementary Data 3). In contrast to intra-LRI, where 11% (n = 77) of the containing genes were DEG, the percentage of DEGs within inter- LRIs increased up to 48.5% (n = 419), being genes mainly related with cell surface receptor signalling pathway (ES = 1.66) and translation (ES = 1.39) (Fig. 4)./p> 1.3) for genes associated with response to pheromone (ES = 8.06), epoxygenase P450 pathway (ES = 7.12) and sensory perception of smell (ES = 2.75), including vomeronasal and olfactory receptors. Additionally, exocrine-gland-secreting peptide family genes (5%)38 and Pramel genes39 were only present in evolutionary LRIs when compared to LRIs not involved in ancestral chromosomal configurations./p> 3 Mbp (Supplementary Table 1), and two mammalian outgroup species (human and rabbit) were used to generate pairwise alignments with the mouse genome (mm10) using LASTZ with default parameters. LASTZ alignments were converted into chain and net files using Kent toolbox utilities using the parameters -minScore = 1000, -linearGap = medium, C = 0, E = 30, K = 3000, L = 3000, O = 400. The Y chromosome was omitted due to the difficulty in assembling it to a sufficient degree of quality, enrichment of repeats and palindromes in the chromosome50. The coverage of nets of each species was calculated against mm10 to minimise the potential fragmentation introduced into the reconstruction of the ancestral karyotypes./p>98% of the mm10 genome./p>

3./p> 1.3 as default parameter67./p>