Zelda, le maestro du réveil du génome zygotique - IGMM
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médecine/sciences 2019 ; 35 : 821-41
médecine/sciences
MAGAZINE
NOUVELLE
1Institut de génétique moléculaire de Montpellier, université
de Montpellier, CNRS-UMR 5535, 1919 route de Mende,
Zelda, le maestro du réveil 34293 Montpellier Cedex 5, France.
du génome zygotique 2Institut de recherche en infectiologie de Montpellier, CNRS,
université de Montpellier UMR 9004, 1919 route de Mende,
Jeremy Dufourt1, Maëlle Bellec1, Olivier Messina1, Antonio Trullo1,
34293 Montpellier Cedex 5, France.
Cyril Favard2, Ovidiu Radulescu3, Mounia Lagha1 3LPHI, UMR CNRS 5235, université de Montpellier,
place E. Bataillon - Bât. 24 cc 107, 34095 Montpellier,
NOUVELLES
Cedex 5, France.
> Chez de nombreux animaux, bien que la (Xenopus laevis), le pois- Jeremy.dufourt@igmm.cnrs.fr
fertilisation aboutisse rapidement à la son zèbre (Danio rerio) et Mounia.lagha@igmm.cnrs.fr
fusion des génomes maternels et pater- la drosophile (Drosophila
nels, l’activation du génome zygotique melanogaster), la MZT s’achève quelques à la concentration de morphogène est
ne débute pas dès les premières heures heures seulement après la fécondation, renforcée par la liaison de Zelda à ces
du développement. En effet, il existe et est suivie du premier évènement de gènes. Cependant, le rôle de ce facteur
un stock d’ARN et de protéines dans le la morphogénèse : la gastrulation. En « pionnier » dans le contrôle temporel
gamète maternel qui va régir l’embryo- revanche, chez les espèces à développe- de l’activation transcriptionnelle n’a été
genèse précoce. Durant cette première ment plus lent, telles que la souris (Mus élucidé que très récemment.
période critique du développement, les musculus) et l’homme (Homo sapiens),
cellules totipotentes issues de l’œuf la MZT peut durer plusieurs jours [1]. Zelda favorise la coordination
fécondé vont rapidement se différencier Chez la drosophile, l’embryogénèse com- temporelle de la transcription
pour pouvoir ensuite former les trois mence par 14 cycles nucléaires (nc) Dès le début de la MZT, le gène snail
feuillets embryonnaires fondamentaux : rapides au sein d’un syncytium, contrôlés (sna) est transcrit dans les cellules du
ectoderme, endoderme, et mésoderme. principalement par l’apport en ARN et futur mésoderme de l’embryon de droso-
protéines du gamète maternel. Environ phile. Il code un facteur de transcription
La transition materno-zygotique deux heures après la fécondation, le qui va permettre la spécification du
Chez tous les métazoaires, le passage génome zygotique s’active transcrip- mésoderme et contrôler la transition
graduel du contrôle maternel au contrôle tionnellement et le syncytium se sépare épithélio-mésenchymateuse lors de la
zygotique du développement embryon- en cellules individuelles (cellularisa- gastrulation. Dès les premiers cycles
naire se déroule lors d’un évènement tion) comportant chacune un seul noyau nucléaires, la protéine Zelda se lie à deux
appelé transition materno-zygotique (Figure 1A). Le réveil transcriptionnel du enhancers (distal et proximal) de sna,
(MZT), durant laquelle, de manière génome zygotique nécessite des facteurs qui contrôlent spatialement et tempo-
concomitante à la dégradation des ARN de transcription spécifiques, dont la rellement son expression.
et protéines provenant du gamète mater- protéine Zelda, qui joue un rôle essentiel Pour tenter de comprendre le rôle de
nel, le génome de l’embryon est activé. dans ce processus [2]. Zelda possède Zelda dans l’activation transcription-
Cette activation est caractérisée par plusieurs caractéristiques des facteurs nelle au cours de la MZT, nous avons
une vague progressive de transcription, de transcription dits « pionniers » : 1) mesuré les temps d’activation de la
qui coïncide avec le ralentissement des sa liaison aux éléments cis-régulateurs transcription, dans les cellules du méso-
cycles cellulaires dans de nombreuses avant l’activation des gènes, établissant derme en formation, de plusieurs trans-
espèces. Le démarrage de cette vague une pré-compétence pour l’adoption gènes ayant une version tronquée de
de transcription ainsi que le nombre de de certains destins cellulaires, et 2) sa l’enhancer distal de sna (snaE) et pos-
cycles de division qu’elle accompagne capacité à ouvrir la chromatine pour sédant un nombre croissant de sites de
varient considérablement d’une espèce à faciliter la liaison de facteurs de trans- fixation de la protéine Zelda. Le suivi de
l’autre. Cependant, pour chaque espèce, cription classiques. De plus, la distribu- l’activation de la transcription dans des
le déroulement temporel de la MZT est tion homogène de Zelda dans l’embryon embryons vivants est possible grâce à
précis et très reproductible d’un embryon permet de potentialiser l’action locale l’ajout, dans une partie non-codante du
à l’autre. Chez les espèces au déve- de morphogènes (par exemple, bicoid et transgène rapporteur, de séquences de
loppement rapide, telles que le néma- dorsal) dans différentes régions de l’em- fixation de la protéine du bactériophage
tode (Caenorhabditis elegans), le xénope bryon [3-5] : la réponse de gènes-cibles MS2 à l’ARN [6]. Lors de la transcrip-
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Figure 1. A. Représentation schématique
A de la transition materno-zygotique (MZT)
ARNm maternels ARNm zygotiques
chez la drosophile. B. Schéma du système
MS2/MS2 coat protein (MCP) couplée à la
green fluorescent protein (GFP) permettant
de visualiser la transcription génique en
temps réel. C. Représentation schématique
Cellularisation Gastrulation des deux transgènes comportant soit la
Temps
après la ponte 0 h 1h 2h 3h version tronquée de l‘enhancer distal de
Pas de transcription Transcription zygotique sna (SnaE) ne comportant aucun site de
Cycles nucléaires rapides Cycles cellulaires lents liaison à Zelda, soit cet enhancer avec la
présence additionnelle de trois sites de
liaison à Zelda (SnaE + 3Zld), et imagerie en
B temps réel de leur activité de transcription
au cours de trois cycles nucléaires (nc12,
nc13, nc14). Chaque enhancer (rectangle
SnaE Sna Pr Gène rapporteur orange) contrôle le promoteur minimal de
sna (SnaPr, rectangle bleu), qui permet la
transcription d’un gène rapporteur (rec-
C tangle jaune) comportant 24 répétitions du
SnaE SnaE + 3ZId motif de fixation de la protéine MCP (car-
rés verts) dans sa partie 5’non codante.
SnaE Sna Pr Gène rapporteur SnaE Sna Pr Gène rapporteur
Les noyaux qui présentent une activité
transcriptionnelle sont détectés grâce à la
fluorescence de la GFT et colorés en vert.
Ils sont beaucoup plus nombreux lorsque
nc12 nc13 nc14 nc12 nc13 nc14 l’enhancer distal contient des sites de
liaison à Zelda qu’en leur absence.
tion, ces étiquettes forment des « tiges- mères lors d’un cycle nucléaire donné de « marque-pages » [8]. Les facteurs
boucles » avec l’ARNm, auxquelles va influençait l’activation de la transcrip- de transcription « pionniers », outre leur
rapidement se lier une protéine de tion, au cycle suivant, dans les noyaux propriété de se lier aux nucléosomes,
fusion fluorescente (MS2 coat protein qui en dérivent [7] (Figure 2A). restent généralement associés aux chro-
couplée à la green fluorescent protein), Les cellules vont se diviser de nom- mosomes mitotiques. La rétention mito-
ce qui permet de visualiser ces nouveaux breuses fois au cours du développe- tique de ces facteurs de transcription
transcrits (Figure 1B). Nous avons mon- ment, et la régulation génique des en fait des candidats idéaux pour la
tré que la protéine Zelda accélérait la cellules mères doit être transmise aux transmission de l’identité cellulaire au
coordination de l’activation de la trans- cellules filles afin de maintenir l’iden- cours des divisions mitotiques.
cription (synchronie) de sna au sein du tité tissulaire. Cependant, à chaque Sous l’effet de l’activation de ses
mésoderme en formation (Figure 1C). division cellulaire (mitose), la trans- enhancers, l’expression de sna est très
cription s’arrête, les chromosomes se rapide, ce qui empêche d’analyser le
Zelda masque la mémoire condensent, et la plupart des facteurs rôle de Zelda dans le tempo d’activa-
transcriptionnelle de transcription se dissocient de la tion de sna. Nous avons donc utilisé la
La possibilité de suivre l’activation de la chromatine. Afin de transmettre l’infor- version tronquée de l’enhancer distal de
transcription dans des embryons vivants mation d’identité cellulaire, certains sna (snaE) qui ne contient plus de sites
permet aussi de déterminer l’effet de mécanismes garantissent la réactiva- de fixation de la protéine Zelda, et lui
Zelda sur l’activité transcriptionnelle tion post-mitotique de la transcription avons ajouté, ou pas, des sites de fixa-
au cours de multiples cycles nucléaires. de certains gènes d’identité dans les tion de Zelda. L’activation de ce trans-
Nous avons ainsi récemment documenté cellules filles. Ce processus est appelé gène est stochastique, mais toujours
l’existence d’une mémoire mitotique « bookmarking » mitotique en référence restreinte aux noyaux du mésoderme en
transcriptionnelle, en montrant que aux facteurs qui restent associés à la formation. Ce dispositif expérimental
le statut transcriptionnel des noyaux chromatine durant la mitose et servent permet de suivre les temps d’activa-
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Figure 2. A. Schéma repré-
A B sentant la mémoire mitotique
MAGAZINE
Noyau mère Noyau mère
off on entre deux cycles nucléaires
1 consécutifs (nc 13 et nc14) de
nc13
Fonction de répartition
l’embryon de drosophile. Les
noyaux issus de noyaux mères
Écart entre les courbes dans lesquelles la trans-
mitose
0,5 = mémoire mitotique
cription génique est active
(on, en vert) s’activent en
moyenne plus rapidement que
ceux issus de noyaux mères
nc14
0
NOUVELLES
500 1 500 dans lesquelles la trans-
Temps d’activation (secondes) cription génique est inac-
tive (off, en rouge), au cycle
nucléaire suivant (nc14).
C D
B. Fonction de répartition des
b GFP-Zelda
temps d’activation au cycle
b on nucléaire 14. Les valeurs des
temps d’activation transcrip-
b a3 (off) tionnelle des noyaux issus
de noyaux mères « actifs »
a2 (off) sont représentées en vert, et
celles des noyaux issus de
a1 (off)
noyaux mères « inactifs »
sont représentées en rouge.
E Les paramètres du modèle
ZLD Accélère et mathématique sont estimés
synchronise à partir de courbes ajustées
Temps de la transcription
résidence à ces valeurs expérimentales
ZLD
court (≈ 5s) ZLD ZLD (courbes noires). C. Repré-
ZLD ZLD ZLD sentation schématique des
SnaE Sna Pr Gène rapporteur états épigénétiques discrets
nécessaires pour atteindre
l’activation de la transcrip-
tion (état ON). La durée de chaque transition d’un état à l’autre est fournie par le paramètre noté « b ». D. Image de microscopie confocale de la
protéine Zelda étiquetée avec une GFP (par la technique CRISPR/Cas9) montrant la présence de « microenvironnements nucléaires » dans lesquels
la protéine s’accumule. E. Schéma représentant le rôle de Zelda dans l’activation synchrone de la transcription de multiples gènes zygotiques.
ZLD : Zelda ; GFP : green fluorescent protein.
tion transcriptionnelle des noyaux filles lorsqu’on diminue l’expression de ce après avoir parcouru une série de tran-
provenant de noyaux mères transcrip- facteur dans l’embryon, ce qui suggère sitions aléatoires entre états épigéné-
tionnellement « actifs » ou « inactifs » l’implication d’autres facteurs dans le tiques discrets (Figure 2C). Le modèle
(Figure 2B) : ces temps d’activation processus de mémoire mitotique. prédit que le type de distribution du
reflètent la mémoire transcriptionnelle Pour affiner notre compréhension du temps d’activation (loi exponentielle,
à travers la mitose [7]. Nous avons rôle biologique de Zelda dans l’activa- loi gamma, etc.) dépend du nombre
pu ainsi montrer que Zelda accélérait tion du génome zygotique, nous avons d’états discrets. L’analyse des résultats
l’activation transcriptionnelle des deux formalisé nos données en développant expérimentaux en utilisant ce modèle
sous-populations de noyaux filles. Par un modèle mathématique, qui permet de indique qu’en moyenne, les noyaux pro-
une accélération générale de la trans- mieux appréhender le nombre et la durée venant de noyaux mères, dans lesquels
cription, Zelda tend ainsi à diminuer des étapes nécessaires à l’activation de la transcription est active, doivent par-
le biais de mémoire mitotique. Cepen- la transcription. Dans ce modèle, l’acti- courir un nombre plus petit de transi-
dant ce biais de mémoire est récupéré vation de la transcription est atteinte tions jusqu’à l’activation, et suggère
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que Zelda agit principalement en dimi- lait au sein de « microenvironnements » REMERCIEMENTS
nuant la durée (et non le nombre) des nucléaires (hubs) (Figure 2D), ce qui a Nous remercions Matthieu Dejean pour sa lecture
critique du manuscrit. Ces travaux ont été soutenus
étapes de pré-initiation de la transcrip- aussi été rapporté par une autre équipe
par l’ERC SyncDev et une subvention HFSP-CDA.
tion, révélant ainsi son rôle accélérateur en utilisant une technique de micros-
dans l’embryon précoce de drosophile. copie à haute résolution (lattice light LIENS D’INTÉRÊT
sheet) permettant de suivre des particules Les auteurs déclarent n’avoir aucun lien d’intérêt
Zelda se fixe transitoirement uniques [4]. L’accumulation de Zelda dans concernant les données publiées dans cet article.
à la chromatine ces « microenvironnements » nucléaires
RÉFÉRENCES
Compte tenu des caractéristiques des fac- pourrait favoriser une coopérativité entre
teurs pionniers, nous nous attendions à plusieurs facteurs de transcription [4] ou 1. Tadros W, Lipshitz HD. The maternal-to-zygotic
ce que Zelda joue un rôle dans la conser- le rapprochement de plusieurs segments transition: a play in two acts. Development 2009 ;
136 : 3033-42.
vation de la mémoire transcriptionnelle d’ADN cibles (enhancers) pour favoriser 2. Hamm DC, Harrison MM. Regulatory principles
durant la mitose. Cependant, nos don- l’activation transcriptionnelle des gènes governing the maternal-to-zygotic transition: insights
from Drosophila melanogaster. Open Biol 2018 ; 8 :
nées génétiques et notre modélisation zygotiques (Figure 2E). 180183.
indiquent que Zelda n’est pas le support Ces travaux de recherche [9] ouvrent de 3. Yamada S, Whitney PH, Huang SK, et al. The
de cette mémoire. Nous avons analysé nouvelles pistes pour mieux comprendre drosophila pioneer factor Zelda modulates the
nuclear microenvironment of a dorsal target enhancer
la localisation de Zelda dans des noyaux le rôle des facteurs de transcription to potentiate transcriptional output. Curr Biol 2019 ;
d’embryons vivants et avons montré que « pionniers » (e.g. Oct4, Pou5f3, Sox2), 29 : 1387-93.
4. Mir M, Stadler MR, Ortiz SA, et al. Dynamic multifactor
Zelda quitte le noyau à chaque mitose, l’activation des gènes et l’organisation hubs interact transiently with sites of active
mais y retourne rapidement en fin d’ana- nucléaire durant la période d’activation transcription in Drosophila embryos. Elife 2018 ; 7
phase. Afin de préciser les propriétés du génome zygotique chez les vertébrés. (10.7554/eLife.40497).
5. Mir M, Reime A, Haines JE, et al. Dense Bicoid hubs
dynamiques de cet activateur du génome, Les gènes codant des facteurs de trans- accentuate binding along the morphogen gradient.
nous avons eu recours à des expériences cription « pionniers », tels que ceux de la Genes Dev 2017 ; 31 : 1784-94.
6. Bertrand E, Chartrand P, Schaefer M, et al.
d’imagerie quantitative (fluorescence famille Forkhead box (Fox), sont impli- Localization of ASH1 mRNA particles in living yeast.
recovery after photobleaching et fluo- qués dans de nombreuses maladies géné- Mol Cell 1998 ; 2 : 437-45.
rescence correlation spectroscopy) sur tiques complexes telles que les cancers, 7. Ferraro T, Esposito E, Mancini L, et al. Transcriptional
memory in the drosophila embryo. Curr Biol 2016 ; 26 :
embryon vivant. Nous avons montré que la maladie de Parkinson ou les troubles 212-8.
ce facteur de transcription « pionnier » du spectre autistique [10]. De ce fait, la 8. Bellec M, Radulescu O, Lagha M. Remembering the
past: mitotic bookmarking in a developing embryo.
ne se liait à la chromatine que très tran- compréhension de l’activité spatio-tem- Curr Opin Syst Biol 2018 ; 11 : 41-9.
sitoirement, avec un temps de résidence porelle de ces facteurs de transcription 9. Dufourt J, Trullo A, Hunter J, et al. Temporal control of
estimé de l’ordre de quelques secondes. « pionniers » permettrait de progresser gene expression by the pioneer factor Zelda through
transient interactions in hubs. Nat Commun 2018 ; 9 :
Cependant, ce faible temps de résidence dans la physiopathologie de ces maladies 5194.
de la protéine Zelda sur la chromatine dans le but d’identifier de nouvelles stra- 10. Golson ML, Kaestner KH. Fox transcription factors:
from development to disease. Development 2016 ;
pourrait être compensé par une augmen- tégies thérapeutiques. ‡ 143 : 4558-70.
tation locale de sa concentration. En effet, Zelda, maestro of the zygotic genome
nous avons montré que Zelda s’accumu- awakening
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