Discovery and Characterization of Silencer Elements by High-Throughput Approaches
Découverte et caractérisation des éléments silencers par des approches à haut débit
Résumé
Control of gene expression is a complex mechanism that use cis-regulatory element as keystone. The control of this mechanism is fundamental to mammalian cell life. Gene expression is controlled at different levels such as DNA compaction, binding of transcription factors with cofactors making regulatory complexes or epigenetic modifications. Gene regulatory elements, including promoters, enhancers, silencers, etc., control transcriptional programs in a spatiotemporal manner. These
elements are able to control gene expression by increasing or decreasing transcription. The community focused mainly in the study of enhancer elements which amplify transcription initiation, while silencers, which repress gene expression, were sidelined.
Recently, thanks to the improvement of technologies allowing a better analysis of the genome and to the advances in computing, few studies successfully characterized silencers elements in several organisms including human, mouse and drosophilia. They were carried out by efficient functional assays at different scale contributing to the understanding of their regulatory mechanisms and bringing silencers into the spotlight.
However, lot of questions remains unanswered, making silencers poorly understood. Indeed, their genome-wide distribution and mechanisms of action are largely unknown. In the lab we repurposed an existing high-throughput reporter assay in order to functionally identify silencers genome-wide. As a newly developed technology, the first objective was to build a bioinformatic pipeline to statistically identify genomic regions displaying silencer activity. Subsequently, I performed a comprehensive genomic and epigenomic characterization of the identified silencers, including : motif enrichment, genomic distribution, histone marks enrichment, repetitive elements enrichment, etc. Multi-omics integration of identified silencers with transcriptomic and epigenomic resources provided a comprehensive catalogue of silencer elements in the genome. My results also shed-light into the mechanism of regulation of silencer elements, which have been experimentally validated in the lab. These results have been published in a scientific article (Article : 2.4 [Hussain et al., ]). The pipeline developed is available on my GitHub account Norisad and has been used in two other projects, on the analysis of E-promoters (Article : 2.5.2
[Santiago-Algarra et al., 2021]) and enhancers (Article : 2.5.1 [Alomairi et al., 2020]), which made it possible to observe the overlap between the positive signal of the regions with the presence of active transcriptions factor binding site or simply the processing of CapSTARR-seq data.
Le controle de l’expression des gènes est un mécanisme complexe qui utilise les éléments Cis-régulateur comme clé de voûte. Le contrôle de ce mécanisme est fondamental pour la vie cellulaire des mammifères. L’expression des gènes est contrôlée à différents niveaux tels que la compaction de l’ADN, la liaison des facteurs de transcription avec des cofacteurs créant des complexes régulateurs ou des modifications épigénétiques. Les éléments régulateurs des gènes, notamment les promoteurs, les enhancers, les silencers, etc., contrôlent les programmes transcriptionnels de manière spatio-temporelle.
Ces éléments peuvent contrôler l’expression des gènes en augmentant ou en diminuant la transcription. La communauté s’est principalement concentrée sur l’étude des éléments enhancers qui amplifient l’initiation de la transcription, tandis que les silencers, qui répriment l’expression des gènes, ont été mis de côtés. Récemment, grâce à l’amélioration des technologies permettantl’analyse du génome et aux progrès informatiques, quelques études ont réussi à caractériser les éléments silencers chez plusieurs organismes dont l’homme, souris et la drosophile. Cellesci ont été réalisées par des tests fonctionnels efficaces à différentes échelles contribuant à la compréhension de leurs mécanismes de régulation et mettant les silencers sous les projecteurs.
Cependant, plusieurs questions restent sans réponses, rendant les silencers incompris. En effet, leurs distributions à l’échelle du génome et leurs mécanismes d’actions sont peu connus. En laboratoire, nous avons réutilisé un test de gène rapporteur à grande échelle afin d’identifier de manière fonctionnelle les silencers à l’échelle du génome. En tant que technologie nouvellement développée, le premier objectif était de construire un programme bioinformatique pour identifier statistiquement les régions génomiques affichant une activité silencer. Par la suite, j’ai effectué une caractérisation génomique et épigénomique complète des silencers identifiés, incluant : l’enrichissement des sites de fixations de facteurs de transcriptions, la distribution génomique, l’enrichissement en différentes marques d’histones, l’enrichissement en éléments répétitifs, etc. L’intégration multi-omique des silencers identifiés avec des ressources transcriptomiques et épigénomiques a fourni un catalogue d’éléments silencers dans le génome. Mes résultats ont également mis en lumière les mécanismes de régulations des éléments silencers, qui ont été validés expérimentalement en laboratoire. Ces résultats ont été mis en forme dans un article scientifique (Article : 2.4 [Hussain et al., ]).
Le programme informatique développé est disponible sur mon compte GitHub Norisad et a été utilisé dans deux autres projets, sur l’analyse des E-promoteurs (Article : 2.5.2 [Santiago-Algarra et al., 2021]) et d’enhancers (Article : 2.5.1 [Alomairi et al., 2020]), ce qui a permis d’observer la colocalisation du signal positif de la région avec la présence de site de fixation de facteurs de transcription actifs ou tout simplement le traitement des données CapSTARR-seq.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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