Soutenance de thèse de Camille LABERTHONNIERE

Ecole Doctorale
Sciences de la Vie et de la Santé
Spécialité
Biologie-Santé - Spécialité Génétique
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
SMCHD1,chromatine,FSHD,BAMS,épigénétique,
Keywords
SMCHD1,chromatin,FHSD,BAMS,epigenetic,
Titre de thèse
Régulation de la chromatine par SMCHD1 : implication dans la dystrophie Facio-Scapulo-Humérale et le Syndrome d’Arhinie et de Microphtalmie de Bosma
Chromatin regulation by SMCHD1: involvement in Facio-Scapulo-Humeral dystrophy and Bosma Arhinia and Microphthalmia Syndrome
Date
Lundi 28 Juin 2021
Adresse
27 Boulevard Jean Moulin, 13385, Marseille
CERIMED
Jury
Directeur de these Mme Frédérique MAGDINIER Marseille Medical Genetics
Rapporteur Mme Claire FRANCASTEL Unité Epigénétique et Destin Cellulaire - UMR 7216
Rapporteur Mme Caroline SCHLUTH BOLARD Hospices Civils de Lyon
Examinateur M. Vincent MOULY Institut de Myologie
Examinateur Mme Karine NGUYEN Hôpital de la Timone - Département de Génétique Médicale

Résumé de la thèse

La protéine SMCHD1 suscite de plus en plus d’intérêt depuis l’identification de variants pathogènes dans deux maladies rares distinctes : la dystrophie Facio-Scapulo-Humérale de type 2 (FSHD2) et le syndrome d’Arhinie et de Microphtalmie de Bosma (BAMS). La FSHD est la troisième dystrophie musculaire d’origine génétique la plus fréquente. Elle provoque une dystrophie musculaire asymétrique et affecte certains muscles spécifiques. Au niveau moléculaire, 80% des cas de FSHD2 sont liés à des mutations du gène SMCHD1 qui est associée à une hypométhylation marquée des répétitions du macrosatellite D4Z4 au locus 4q35, suggérant un rôle majeur de cette protéine dans la pathologie et la régulation chromatinienne de l’élément D4Z4. En 2017, des variants pathogènes de SMCHD1 ont également été identifiés chez des patients atteints du syndrome BAMS. Il est caractérisé par une absence complète de nez, une arhinencéphalie associée à̀ une microphtalmie et une infertilité, sans phénotype musculaire. Chez l’Homme, SMCHD1 a été associée à̀ certains loci de gènes organisés en clusters ou de loci régulés par empreinte parentale. Toutefois les mécanismes par lesquels SMCHD1 intervient dans leur régulation ont été peu explorées. Son implication dans deux pathologies aux phénotypes distincts, soulève donc de nombreuses questions sur son rôle dans la régulation de la dynamique chromatinienne chez l’Homme, en particulier au cours du développement. Des travaux antérieurs de l’équipe ont permis de montrer le rôle de SMCHD1 dans la méthylation de novo suivant l’acquisition de la pluripotence. En présence de mutations de SMCHD1, une hypométhylation de certains autres loci est observée. Ceci suggère que SMCHD1 régule la méthylation de certains sites qui restaient à identifier à l’échelle du génome. En analysant les régions présentant une différence de méthylation entre cellules de patients et contrôles avec des données de transcriptome, nous avons identifié les régions dont l’architecture chromatinienne est régulée par SMCHD1. Afin de déterminer le rôle de SMCHD1 dans la structuration chromatinienne, nous avons réalisé des expériences de ChIP-seq au cours de la différenciation de cellules humaines induites à la pluripotence (hiPSCs) vers les tissus atteints dans l’une ou l’autre de ces deux maladies. Nos analyses, confirmées par des expériences utilisant des gènes rapporteurs, montrent un rôle pour SMCHD1 dans la régulation d’éléments enhancer et insulateurs. Nous avons également réalisé une étude de RNA Seq sur les cellules souches de la crête neurale et les fibres musculaires innervées dérivées d’hiPSCs de patients et de contrôles. Avec l’utilisation de l’algorithme bio-informatique MOGAMUN, nous avons identifié des voies biologiques spécifiques de chacune de ces deux pathologies et confirmé ces altérations par des approches mécanistiques. Ces travaux, apportent une meilleure compréhension du rôle de SMCHD1 dans la régulation de l’organisation de la chromatine, en condition physiologiques et pathologiques, dans les cellules humaines. L’identification de voies biologiques spécifiquement dérégulées dans chacune des deux pathologies ouvre de nouvelles perspectives quant aux mécanismes physiopathologiques à l’origine de celles-ci voire au développement de nouvelles perspectives thérapeutique en particulier pour la FSHD.

Thesis resume

Understanding the function of the SMCHD1 protein in human tissues is of increasing interest since the identification of pathogenic variants in two distinct rare diseases: Type 2 Facio-Scapulo-Humeral Dystrophy (FSHD2) and Bosma Arhinia and Microphthalmia Syndrome (BAMS). FSHD is the third most common muscular dystrophy of genetic origin and causes an asymmetrical muscular dystrophy starting with the muscles of the face and scapular girdle. At the molecular level, mutations in the SMCHD1 gene were found in 80% of FSHD2 cases, associated with a marked hypomethylation of the D4Z4 macrosatellite repeats at the 4q35 locus, suggesting a major role of this protein in the pathology and chromatin regulation of the D4Z4 element. In 2017, pathogenic variants of SMCHD1 have also been identified in patients with BAMS. This syndrome is characterized by the complete absence of a nose, arhinencephaly associated with microphthalmia and infertility but the absence of muscular phenotype. In human, SMCHD1 has been associated with certain gene clusters or imprinted loci. However, the mechanisms by which SMCHD1 intervenes in their regulation have not been explored. Nevertheless, its involvement in two pathologies with distinct phenotypes raises many questions on its role in the regulation of chromatin dynamics in human tissues. Previous work of the team has shown that SMCHD1 plays a role in de novo methylation following the acquisition of pluripotency. In the presence of SMCHD1 mutations, hypomethylation of some other loci is observed suggesting that this protein regulates the methylation of certain sites at the genome-wide scale but the underlying mechanisms remained to be investigated. Using genome-wide DNA methylation analyses, we have identified regions that are differentially methylated between patients and controls cells. In order to determine the role of SMCHD1 in chromatin organization, we have performed ChIP-seq experiments after differentiation of human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) towards cell lineages affected in both diseases. Our analyses revealed a role for SMCHD1 in the regulation of a number of insulators and enhancers elements; data which were confirmed in vitro using reporter gene assays. We also analyzed the expression profile of BAMS and FSHD2 cells by RNA seq on neural crest stem cells and innervated muscle fibers derived from patients and controls hiPSCs. Using the MOGAMUN bioinformatics algorithm, we identified specific biological pathways that are specifically dysregulated for each of these two pathologies. This work provides a better understanding of the role of SMCHD1 in the regulation of chromatin organization in physiological and pathological conditions. The identification of pathways specifically deregulated in each of the two pathologies opens new perspectives on understanding the physiopathological mechanisms at the origin of these diseases and open new perspectives on the development of new therapeutic approaches in particular for FSHD.