Des limites de domaines associant topologiquement sont nécessaires au fonctionnement normal du génome

Biologie des communications volume 6, Numéro d'article : 435 (2023) Citer cet article

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Les limites du domaine d'association topologique (TAD) divisent le génome en territoires régulateurs distincts. Des preuves anecdotiques suggèrent que leur perturbation peut interférer avec l’expression normale des gènes et provoquer des phénotypes de maladies1,2,3, mais l’ampleur globale de ce phénomène reste inconnue. Nous démontrons ici que les suppressions ciblées des limites de TAD provoquent une série de perturbations de la fonction normale du génome in vivo et du développement de l'organisme. Nous avons utilisé l'édition du génome CRISPR chez la souris pour supprimer individuellement huit limites TAD (taille de 11 à 80 Ko) du génome. Toutes les délétions examinées ont abouti à des phénotypes moléculaires ou organiques détectables, notamment des interactions chromatiniennes ou une expression génique altérées, une viabilité réduite et des phénotypes anatomiques. Nous avons observé des changements dans l'architecture locale de la chromatine 3D dans 7 cas sur 8 (88 %), y compris la fusion des TAD et des fréquences de contact modifiées au sein des TAD adjacents à la limite supprimée. Pour 5 des 8 locus (63 %) examinés, les délétions des limites étaient associées à une létalité embryonnaire accrue ou à d'autres phénotypes de développement. Par exemple, une suppression de la limite TAD près de Smad3/Smad6 a provoqué une létalité embryonnaire complète, tandis qu'une suppression près de Tbx5/Lhx5 a entraîné une malformation pulmonaire grave. Nos résultats démontrent l'importance des séquences limites de TAD pour la fonction du génome in vivo et renforcent la nécessité critique d'examiner attentivement le pouvoir pathogène potentiel des délétions non codantes affectant les limites de TAD dans le dépistage génétique clinique.

Les génomes eucaryotes se replient en domaines d'association topologique (TAD), des segments de chromatine à l'échelle inférieure à la mégabase caractérisés par une fréquence de contact chromatine intra-domaine élevée4,5,6. Les TAD représentent une caractéristique clé de l'organisation hiérarchique du génome en définissant des voisinages de chromatine au sein desquels les séquences régulatrices peuvent interagir, tout en isolant simultanément les interactions régulatrices au-delà des frontières5,7,8,9,10. Les limites des TAD sont principalement définies et mesurées par des tests de conformation de la chromatine, et elles sont généralement associées à un ensemble de protéines signature, notamment le facteur de liaison CCCTC (CTCF), des composants du complexe de maintien structurel des chromosomes (SMC) tels que la cohésine et la condensine, et ARN polymérase II5,11,12,13,14. Les TAD se forment à la suite d'une extrusion de boucles, dans laquelle les brins d'ADN glissent depuis l'intérieur de la cohésine ou du complexe SMC jusqu'à ce que les molécules CTCF liées dans une orientation convergente soient rencontrées13,15,16,17,18,19. La perte de CTCF, de cohésine ou du facteur de charge de cohésine Nipbl entraîne une perturbation du TAD, tandis que la perte du facteur de libération de cohésine, Wapl, entraîne un renforcement des limites du TAD20,21. Curieusement, environ 20 % des limites de TAD restent stables en cas de perte de CTCF22. Les mécanismes médiés par le CTCF et la transcription peuvent affecter la formation et la fonction des TAD, mais aucun ne semble être suffisant individuellement ni universellement requis7,11,23,24. Ainsi, l'état de la chromatine, l'activité transcriptionnelle et l'organisation du TAD peuvent s'influencer mutuellement, et la structure nucléaire observée des génomes de mammifères résulte probablement de leur interaction complexe7,11,23,24,25.

Les emplacements génomiques des limites de TAD sont bien conservés parmi les espèces de mammifères, ce qui indique que leur fonction et leurs positions dans le génome sont soumises à des contraintes évolutives5,26,27,28. Cette notion est en outre étayée par l'épuisement global des variantes structurelles aux limites du TAD observé dans la population humaine générale26, tandis que les perturbations et les réarrangements de la structure du TAD ont été impliqués dans la mauvaise expression des gènes et sont associés à des phénotypes de développement et de cancer1,2, 3,29,30. Cependant, la plupart de ces perturbations étaient de grandes mutations structurelles survenant spontanément qui incluaient également des caractéristiques génomiques voisines, telles que des éléments régulateurs et/ou des gènes codant pour des protéines. Par conséquent, le rôle spécifique des limites TAD dans ces phénotypes n’est pas bien compris. Dans la présente étude, nous examinons la nécessité fonctionnelle des séquences limites TAD in vivo. Nous avons sélectionné huit limites TAD indépendantes à proximité de gènes actifs au cours du développement embryonnaire, supprimé individuellement ces limites du génome de la souris et examiné systématiquement les conséquences sur la survie, l'organisation du génome, l'expression des gènes et le développement. Les huit suppressions de limites TAD ont entraîné des modifications d’une ou plusieurs de ces propriétés. Nous avons également observé que la perte de limites avec un plus grand nombre de sites CTCF entraînait généralement des phénotypes plus graves et que les phénotypes d'organisme les plus graves coïncidaient avec des changements prononcés dans la conformation de la chromatine. En combinaison, nos résultats indiquent que les séquences limites de TAD sont nécessaires au fonctionnement et au développement normaux du génome.

3300 previously annotated TAD boundaries5,10, we scored and prioritized each boundary based on the following criteria: (1) CTCF occupancy aggregated from 62 published CTCF ChIP-seq datasets, which served as a proxy for the expected overall strength of insulation (datasets listed in Supplementary Data 1); (2) co-occupancy of subunits of the cohesin complex and the transcription factor Znf14331 from 38 published ChIP-seq datasets (Supplementary Data 1); (3) CTCF-binding conservation at orthologous regions in four different mammalian species32 (Supplementary Data 2); and (4) whether both flanking TADs contain genes with known roles in embryonic development, preferentially showing divergent patterns of tissue-specific expression (Fig. 1, Supplementary Fig. 1, Supplementary Data 1–3, “Methods”). TAD boundaries that encompassed protein-coding genes were excluded. Following genome-wide prioritization, we selected and deleted 8 individual TAD boundaries from the mouse genome through pronuclear injection of fertilized eggs using CRISPR/Cas9. For all deletions, the outer borders of the boundaries were defined by canonical criteria including the presence of CTCFs and cohesin complex proteins, which are the hallmark of TAD boundaries that are conserved across cell types in closely related species (refs. 13,15,16,17,18,19; see “Methods” for details). These deletions ranged in size from 11 to 80 kb and removed all known CTCF and cohesin binding sites in each TAD boundary region, while leaving any nearby protein-coding genes intact (Fig. 1, Supplementary Fig. 1, Supplementary Data 3, “Methods”). For all eight boundaries, live founder mice heterozygous for the targeted deletion were successfully obtained and bred into stable lines to assess molecular and organismal phenotypes./p>

6000 data points across 350 total measurements; Fig. 4a, Supplementary Fig. 10 and Supplementary Data 7). These systematic phenotyping efforts identified 30 additional parameters with individually significant deviations from wild-type controls (Supplementary Data 7). However, due to the limited sample size and the large number of parameters assessed, these initial observations are generally not significant after correction for multiple hypothesis testing. Nevertheless, in conjunction with the independently observed viability, chromatin, and expression phenotypes in these lines, these data provide leads for further in-depth characterization./p>

0.05; Fig. 3 and Supplementary Fig. 4. Interaction frequencies between genomic loci were additionally visualized on Juicebox (Supplementary Fig. 4)53,54./p>