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Université Joseph-Fourier - Grenoble I (2008-10-24), Mohamed-Ali Hakmi (Dir.)
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Etude de l'influence de la méthylation des histones sur la structure chromatinienne et l'expression génique chez Toxoplasma gondii.
Céline Sautel1

Toxoplasma gondii est un parasite intracellulaire qui appartient au phylum des Apicomplexa. Il est l'agent pathogène de la toxoplasmose. Ce parasite opportuniste est responsable de la toxoplasmose cérébrale chez les individus immunodéprimés et le fœtus. L'interconversion du parasite de la forme tachyzoïte virulente à la forme bradyzoïte quiescente est au centre de la pathogénèse de cette infection. Ce processus repose sur une régulation fine de l'expression des gènes. Des études suggèrent un contrôle transcriptionnel de l'interconversion avec l'expression exclusive de certains gènes dans un stade donné de différenciation parasitaire. Cependant, ce parasite et son phylum se distinguent des autres eucaryotes par un nombre limité de facteurs spécifiques de transcription. Nous avons émis l'hypothèse que le niveau d'expression des gènes de Toxoplasma gondii est étroitement régulé par la structure physique et la nature chimique de la chromatine. Au début de ma thèse, peu de choses étaient connues sur le remodelage de la chromatine chez Toxoplasma gondii. L'ensemble de nos résultats et ceux d'autres équipes, convergent vers l'idée de l'existence d'un « code histone parasitaire » hautement sophistiqué. Pendant ma thèse, nous avons identifié et caractérisé une histone lysine méthyltransférase de la famille de SET8 responsable de la méthylation de H4K20. Le rôle de H4K20-me dans la stabilité du génome est considérée comme une fonction apparue précocement dans l'évolution tandis que son rôle dans l'hétérochromatine est considérée comme une fonction apparue plus tardivement avec la complexification des génomes. Chez Toxoplasma gondii, TgSET8 est capable de mono-, di-, et triméthyler H4K20 ; ce qui la distingue de son homologue humain SET8 qui catalyse exclusivement la monométhylation. La différence d'activité entre les deux enzymes semble reposer sur un seul résidu du site catalytique. TgSET8 et sa marque H4K20-me1 sont régulées au cours du cycle cellulaire et localisent au niveau des régions d'hétérochromatine péricentriques et télomériques chez T. gondii et P. falciparum. L'ensemble de nos résultats montrent que la fonction de SET8 et H4K20 dans l'hétérochromatine n'est pas restreinte aux métazoaires. Nous avons également étudié le rôle de KMTox, une autre histone lysine-méthyltransferase de Toxoplasma gondii. Localisée dans le noyau, elle possède un domaine HMG capable de se lier à l'ADN. Cette enzyme catalyse la méthylation des histones H4 et H2A in vitro, avec une augmentation de l'activité en conditions réductrices. KMTox interagit spécifiquement avec une 2-cys peroxiredoxine-1 typique et l'interaction semble être favorisée en condition oxydative. Parmi d'autres fonctions cellulaires, KMTox semble réguler majoritairement les gènes impliqués dans la réponse antioxydante et le maintien de l'homéostasie cellulaire. Elle pourrait réguler l'expression des gènes chez Toxoplasma gondii par la mis en place d'un remodelage rapide de régions chromatiniennes et contribuer à la mise en place de la réponse antioxydante via son interaction avec le senseur redox TgPrx1.
1:  LAPM - Laboratoire Adaptation et pathogénie des micro-organismes
Parasitologie – Chromatine – Transcription – Differenciation – Code Histone – Toxoplasma gondii – hétérochromatine – cycle cellulaire

Study of histone methylation effect in chromatin structure and gene expression in Toxoplasma gondii.
Toxoplasma gondii in an intracellular parasite that belongs Apicomplexa phylum. This pathogen is responsible for toxoplasmosis. This opportunistic parasite causes cerebral toxoplasmosis in immunodepressed individuals and the fœtus. Interconversion from the virulent tachyzoïte form of the parasite to its quiescent bradyzoïte form is a critical point in the pathogenesis. This process involves a tiny regulation of the gene expression. Previous studies suggest a transcriptional control of interconversion, including a stage specific expression of genes. However, this parasite and the whole phylum Apicomplexa are characterized by the presence of few specific transcription factors. We hypothesized that the level of genes expression in Toxoplasma gondii is finely regulated by physical structure and chemical nature of chromatin. When I started my PhD, very few was known about chromatin remodeling in Toxoplasma. Today, our results and others results, lead to the idea of the existence of a highly sophisticated "parasitic histone code”. During my PhD, we first identified and characterized H4K20 methylase of the Set8 family in Toxoplasma gondii. H4K20 methylation is considered to have an evolutionary ancient role in DNA repair/genome integrity, while its function in heterochromatin function/gene expression is thought to have arisen later during evolution. Remarkably, parasite TgSet8-related proteins display H4K20 mono-, di-, and trimethylase activities, whereas HSET8 is monomethylase-restricted. Structurally, few residues forming the substrate-specific channel dictate the enzyme methylation multiplicity. These enzyme and it's mark H4K20-me1 are cell cycle regulated and focally enriched at pericentric and telomeric heterochromatin in T. gondii et P. falciparum. Taken together, our findings show that the heterochromatic function of SET8 and H4K20 is not restricted to metazoans. Secondly, we have investigated the role of KMTox, another histone lysine-methyltransferase, in Toxoplasma gondii. KMTox is a nuclear protein that holds a High Mobility Group domain, which is thought to recognize bent DNA. The enzyme methylates both histones H4 and H2A in vitro with a great preference for the substrate in reduced conditions. Importantly, KMTox interacts specifically with the typical 2-cys peroxiredoxin-1 and the binding is to some extent enhanced upon oxidation. It appears that the cellular functions that are primarily regulated by the KMTox are antioxidant response and maintenance of cellular homeostasis. KMTox may regulate gene expression in T. gondii by providing the rapid re-arrangement of chromatin domains and by interacting with the redox-sensor TgPrx1 contribute to establish the antioxidant response in T. gondi.
Parasitology – Chromatin – Transcription – Differentiation – Histone Code – Toxoplasma gondii – heterochromatin – cell cycle