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International audience; Compartmentalization is one of the fundamental principles which underly nuclear function. Numerous studies describe complex and sometimes conflicting relationships between nuclear gene positioning and transcription regulation. Therefore the question is whether topological landmarks and/or organization principles exist to describe the nuclear architecture and, if existing, whether these principles are identical in the animal and plant kingdoms. In the frame of an agroBI-INRA program on nuclear architecture, we set up a multidisciplinary approach combining biological studies, spatial statistics and 3D modeling to investigate spatial organization of a nuclear compartment in both plant and animal cells in their physiological contexts. In this article, we review the questions addressed in this program and the methodology of our work.; Modéliser l'architecture tri-dimensionnelle du noyau dans des cellules animales et végétales. L'organisation en comparti-ments est un des principes fondamentaux qui gouverne le fonctionnement du noyau. De nombreuses études montrent des relations complexes et parfois contradictoires entre la position d'un gène dans le noyau et son état transcriptionnel. Deux questions se posent : existe-t-il des principes généraux gouvernant l'organisation nucléaire, et, si oui, ces principes sont-ils analogues dans les règnes animal et végétal ? Dans le cadre d'un programme agroBI-INRA sur l'architecture nucléaire, nous avons développé une ap-proche multidisciplinaire combinant expériences biologiques, statistiques spatiales et modélisation en 3 dimensions pour analyser l'organisation spatiale d'un compartiment nucléaire dans des cellules animales et végétales, dans leur environnement physiolo-gique. Dans cet article, nous faisons une revue autour des questions posées dans ce programme et présentons la méthodologie de ce travail

National audience

Depuis les 15 dernières années, de nombreuses études ont mis en évidence le rôle majeur de l’architecture nucléaire dans la régulation de l’expression des gènes et ceci dans une grande diversité de processus biologiques. Bien que la réponse immunitaire soit un de ces processus, peu de données existent sur l’organisation spatiale du génome dans les cellules immunitaires et son impact sur la régulation des gènes dans le contexte d’une réponse à l’infection bactérienne. En utilisant le porc comme organisme modèle, nous avons concentré notre étude sur les macrophages dérivés de monocytes, premières lignes de défense contre les pathogènes. Les cellules immunitaires étant les cibles des mycotoxines, nous nous sommes également intéressés aux effets de la toxine T-2 sur les macrophages et leur réponse induite par les récepteurs TLR. Un effet cytotoxique de la T-2 à une dose de 10 nM, ainsi que des effets inhibiteurs sur certaines réponses liées aux récepteurs TLR ont été mis en évidence. Nous avons ensuite examiné si les changements dans l'expression des gènes dus à l'activation impliquent un repositionnement dans l'espace nucléaire. Une analyse du transcriptome a permis d’identifier les gènes différentiellement exprimés dans les macrophages activés par le mélange LPS-IFNγ et de mettre en évidence des réseaux de gènes impliqués lors de l’activation. Les 4 gènes les plus sur-exprimés (IL1β, IL8, CXCL10 et TNFα) et les 4 gènes les plus sous-exprimés (VIM, LGALS3, TUBA3 et IGF2) ont été sélectionnés pour analyser leur comportement dans l'espace nucléaire au cours de l’activation des macrophages en utilisant la technique FISH 3D. Parmi les 4 gènes sur-exprimés, 3 présentent des modifications de leur position durant le processus d'activation alors que les 4 gènes sous-exprimés ne montent pas de variation de leur position. L'analyse de la position des gènes par rapport à leurs territoires chromosomiques (TC) a été étendue à un second type de cellules immunitaires : les neutrophiles. Des résultats similaires ont été obtenus. Les analyses ont été ensuite complétées par l'étude des 4 gènes sur-exprimés dans un type cellulaire indépendant de la réponse immunitaire (fibroblastes). Nos données suggèrent que les relocalisations dans l'espace nucléaire des gènes différentiellement exprimés dans les cellules immunitaires activées sont gène spécifique, type cellulaire spécifique et concernent essentiellement ceux qui sont sur-exprimés.

Early development of female mammals is accompanied by transcriptional inactivation of one of their two X chromosomes. This event is initiated following mono-allelic expression of the Xist non-coding RNA – what is achieved by the interplay of numerous cis-regulatory elements present within the X inactivation center (Xic), such as its repressive antisense Tsix. Our work aimed at throwing light on the structural landscape that underlies such long-range regulation. Characterization of the three-dimensional architecture of the Xic, by the means of Chromosome Conformation Capture (3C)-based techniques and in situ fluorescence hybridization (FISH), revealed that the respective promoters of Xist and Tsix contact many distal genomic elements within the Xic, and that at least one of such interacting region exerts long-range cis-transcriptional control. Noticeably, Xist and Tsix promoters associate with different sets of elements in their respective 5’ direction that are spread out over several hundreds of kilobases These experiments also revealed unforeseen properties of chromatin architecture. Indeed, the Xic appears to be partitioned in several sub-regions, each spanning between 200kb and 1Mb, inside which chromosomal interactions are preferentially established. The existence of these interaction domains integrates with other structural features of the genome, such as underlying chromatin composition and association with the nuclear lamina, but does not seem to directly depend on them. By analyzing chromosome conformation of the Xic during cell differentiation we document the robustness of this organizational principle, with the noticeable exception of the inactive X chromosome that assumes a folding pattern that is more random than its active homolog. Finally we also bring evidence that variability in the folding pattern of the two X chromosomes in the same cell brings each Tsix allele in association with different sets of chromosomal partners at a given moment, suggesting that the instantaneous structural environment of each allele at the onset of mono-allelic Xist up-regulation is different.By combining approaches at the scale of cell populations on the one hand, and at the single chromatin fiber level on the other, this study provides a first vision of the structural landscape in which Xist regulation takes place, and brings new insights concerning fundamental properties of chromosome organization in mammals., Le développement embryonnaire précoce des mammifères femelles s’accompagne de l’inactivation transcriptionnelle d’un de leurs deux chromosomes X. Cet évènement est initié suite à l’expression mono-allélique de l’ARN non codant Xist, qui est contrôlée par de nombreux éléments cis-régulateurs présents dans le centre d’inactivation du chromosome X (Xic) – tel son anti-sens répresseur Tsix. Mon travail de thèse a consisté à développer des approches permettant d’appréhender le paysage structural dans lequel s’exerce cette régulation. La caractérisation de l’architecture tridimensionnelle du Xic, par des techniques basées sur la capture de conformation chromosomique (3C) et l’hybridation in situ en fluorescence (FISH), m’a permis de mettre en évidence que les promoteurs respectifs de Xist et Tsix sont engagés dans des interactions physiques intimes avec des loci distaux, localisés au sein du Xic, et de montrer qu’au moins certaines de ces régions exercent un effets régulateurs à longue-distance. Les éléments du Xic contactés par les régions promotrices de Xist et de Tsix sont en outre fondamentalement différents, chacune engageant des associations chromosomiques sur plusieurs centaines de kilobases dans leur direction 5’ respective.Ce travail a également permis de révéler des propriétés insoupçonnées de l’architecture chromosomiques. En effet, le Xic apparaît scindé en plusieurs sous-régions, couvrant chacune entre 200kb et 1Mb, à l’intérieur desquelles les interactions chromosomiques sont préférentiellement établies. L’existence de ces domaines d’interaction s’intègre avec d’autres propriétés structurales du génome, tels la composition de la chromatine sous-jacente et l’association à la lamine nucléaire, mais n’apparaît pas en dépendre directement. En étudiant la dynamique de la conformation chromosomique du Xic au cours de la différenciation cellulaire, j’ai pu constater la robustesse de cette organisation, sauf sur le chromosome X inactif, qui se distingue par la perte des contacts chromosomiques préférentiels détectables sur son homologue actif.Enfin, j’ai pu mettre en évidence que la variabilité du repliement général du chromosome X amène à un instant donné chaque allèle de Tsix à contacter physiquement des jeux de séquences distales différents, suggérant que l’environnement structural instantané de chacun de ces allèles à l’orée de l’activation mono-allélique de Xist est différent. Ce travail, combinant des approches à l’échelle de la population cellulaire d’une part et de la fibre de chromatine unique d’autre part, apporte une nouvelle vision du paysage structural et régulateur dans lequel s’inscrit le contrôle de l’activité transcriptionnelle de Xist, et fourni de nouvelles perspectives concernant les principes fondamentaux de l’organisation topologique des chromosomes chez les mammifères.

International audience; Specific nuclear domains are nonrandomly positioned within the nuclear space, and this preferential positioning has been shown to play an important role in genome activity and stability. Well-known examples include the organization of repetitive DNA in telomere clusters or in the chromocenter of Drosophila and mammalian cells, which may provide a means to control the availability of general repressors, such as the heterochromatin protein 1 (HP1). We have specifically characterized the intranuclear positioning of in vivo fluorescence of the Caenorhabditis elegans HP1 homologue HPL-2 as a marker for heterochromatin domains in developing embryos. For this purpose, the wavelet transform modulus maxima (WTMM) segmentation method was generalized and adapted to segment the small embryonic cell nuclei in three dimensions. The implementation of a radial distribution algorithm revealed a preferential perinuclear positioning of HPL-2 fluorescence in wild-type embryos compared with the diffuse and homogeneous nuclear fluorescence observed in the lin-13 mutants. For all other genotypes analyzed, the quantitative analysis highlighted various degrees of preferential HPL-2 positioning at the nuclear periphery, which directly correlates with the number of HPL-2 foci previously counted on 2D projections. Using a probabilistic 3D cell nuclear model, we found that any two nuclei having the same number of foci, but with a different 3D probabilistic positioning scheme, can have significantly different counts in the 2D maximum projection, thus showing the deceptive limitations of using techniques of 2D maximum projection foci counts. By this approach, a strong perinuclear positioning of HPL-2 foci was brought into light upon inactivation of conserved chromatin-associated proteins, including the HAT cofactor TRAPP.