ADN Répété, Chromatine et Évolution (ARChE)

L’équipe ARChE se consacre à percer les mystères des séquences répétées d’ADN très abondantes dans les génomes, en se penchant notamment sur leur impact dans l’organisation 3D du génome, dans la localisation des marques épigénétiques le long du génome, ainsi que dans l’expression génique dans différents modèles cellulaires. Une particularité de notre démarche scientifique vise aussi à étudier ces questions dans le contexte de l’évolution. Notre objectif est de mettre en lumière un potentiel rôle fonctionnel de ces séquences qui ont longtemps été considérées comme des vestiges de l’évolution ou comme des séquences d’ADN « égoïstes » et parasites.

Notre équipe interdisciplinaire se compose d’experts en biologie computationnelle évolutive et en intelligence artificielle pour la génomique, en microscopie à fluorescence et analyse d’images 3D, en génomique fonctionnelle et ingénierie de l’épigénome, à travers l’étude de différents modèles (Homme, Souris, Cercopithèque et Lépidoptère). Nos recherches s’articulent autour de quatre axes thématiques :

1/ Évolution des Séquences Satellites Centromériques

2/ Évolution de l’Organisation Tridimensionnelle des Génomes

3/ Réécriture des Marques Épigénétiques

4/ Apprentissage Profond pour la Génomique et génomique Synthétique

Responsable de l’équipe

• Mozziconacci Julien, PR MNHN

Membres de l’équipe:

• Escudé Christophe, CR CNRS
• Lopes Judith, CR INSERM  
• Muller Héloïse , CR CNRS                            
• Ponger Loic, MCF MNHN
• Bret Helène, Post Doctorante (Planetoïd)
• Radjasandirane Ragousandirane, Post Doctorant
• Eyes Robson, Post doctorante (Planetoïd)
• Marques Xavier, IE MNHN
• El Rashidy Hussin , CDD (Planetoïd)
• Pichon Julien, Doctorant
• Tilliet Florian, Doctorant
• Perdrix Suzy, Doctorante

Anciens membres de l’équipe 

• Langou Zoé, M2
• Tevenin Pierre, M2
• Duffaut Clément, CDD
• Westbrook Alex, Doctorant
• Christophe Maxime, Doctorant
• Mia Legras, IE CDD MNHN
• Thomas Opsomer, IR CDD MNHN
• Enzo Becherel, M2
• Pierrick Bernard, M2
• Drayton- Libotte Bernadette, IE INSERM
• Goué Anaïs, CDD IE MNHN
• Haschka Thomas, ATER MNHN
• Boutorine Alexandre, PR MNHN              
• Strauss François, DR CNRS                    
• Cacheux Lauriane, Doctorante
• Decombe Sheldon, Doctorant
• Kolar-Znika Lorena, Doctorant
• Nozeret Karine, Doctorante
• Ollion Jean, Doctorant  

1/ Évolution des Séquences Satellites Centromériques :

L’équipe étudie l’évolution des séquences d’ADN centromériques, en s’appuyant sur des données issues de techniques de séquençage avancées et sur des méthodes bioinformatiques capables de classifier des millions de séquences et d’analyser leur organisation. Nous nous intéressons en particulier à un clade de primates appelés cercopithecini, dont l’ADN centromérique est composé de séquences dites alpha-satellites. La caractérisation de la diversité de ces séquences, de leur distribution chromosomique et de leur ressemblance avec celles d’autres espèces permet de proposer des hypothèses concernant les mécanismes moléculaires impliqués dans l’évolution particulière des séquences satellites. Ces observations nourrissent également des modèles décrivant leur histoire évolutive.

Crédits

©Christophe Escudé

Étude des séquences alpha-satellite chez les singes Cercopithèques.

(A) Phylogénie simplifiée des primates. (B) Analyse par FISH de la distribution de différentes familles de séquences alpha-satellite sur des chromosomes de Cercopithecus pogonias. Crédits © Christophe Escudé

Développements futurs : Nous souhaitons étendre nos études à d’autres types d’ADN satellite et à d’autres clades de primates, notamment les homininae et les strepsirrhini, en intégrant dans nos modèles la position du site d’attachement du kinétochore. Nous chercherons également à identifier d’éventuels liens entre diversité des séquences satellites et introgression de matériel génétique chez les cercopithecini, afin de mieux comprendre comment l’ADN centromérique contribue à la diversification des espèces.

Développements futurs : Nous souhaitons étendre nos études à d’autres types d’ADN satellite et à d’autres clades de primates, notamment les homininae et les strepsirrhini, en intégrant dans nos modèles la position du site d’attachement du kinétochore. Nous chercherons également à identifier d’éventuels liens entre diversité des séquences satellites et introgression de matériel génétique chez les cercopithecini, afin de mieux comprendre comment l’ADN centromérique contribue à la diversification des espèces.

2/ Évolution de l’Organisation Tridimensionnelle des Génomes:

Notre équipe étudie les relations entre l’organisation tridimensionnelle (3D) des génomes, la régulation de l’expression des gènes et l’évolution des espèces. En combinant biologie moléculaire, génétique, épigénomique, génomique comparative et analyses computationnelles, nous cherchons à comprendre comment l’architecture spatiale de la chromatine se met en place, évolue et influence le fonctionnement des génomes. Nos recherches s’appuient principalement sur les Lépidoptères, un groupe d’insectes possédant des chromosomes holocentriques, qui offrent un modèle original pour explorer des principes encore mal compris de l’organisation nucléaire. 

Crédits

©Héloïse Muller

Organisation 3D des chromosomes chez les Lépidoptères.

(A) Nous avons utilisé le ver-à-soie, Bombyx mori pour caractériser l’architecture des chromosomes dans ce modèle d’espèce holocentrique, où les kinétochores sont répartis tout le long des chromosomes métaphasiques et non en une seule région de constriction. (B) Les chromosomes de B. mori s’organisent en trois compartiments, les classiques, A (actif, en rouge) et B (inactif, en vert), plus des régions qui ont des contacts fréquents au sein de leur domaine mais très peu de contacts avec le reste du chromosome, y compris les autres domaines du même type. Nous avons décrit ces régions comme un troisième compartiment, appelé S (en violet) pour « Secluded ». (C) A gauche : arbre phylogénétique des Lépidoptères représentant schématiquement les familles pour lesquelles des données de séquences et de Hi-C sont disponibles grâce aux grands programmes de séquençage. A droite : exemples de cartes de contacts d’espèces réparties sur l’arbre avec des domaines S indiqués au-dessus en violet. L’organisation en trois compartiments est conservée dans tout l’ordre des Lépidoptères. 

Développements futurs : En associant ces analyses évolutives à des approches expérimentales et de modélisation, nous cherchons à comprendre comment l’organisation du génome contribue à l’innovation évolutive, au développement et à la diversification des espèces. Pour cela, nous avons importé la mite alimentaire, Ploidia interpunctella comme modèle animal de laboratoire, pour pouvoir y pratiquer des analyses de génomiques et des manipulations génétiques avec tous les outils récents, tels que le système CRISPR/Cas.

3/ Réécriture des Marques Épigénétiques :

La chromatine, constituée d’ADN et de protéines organisés en nucléosomes, joue un rôle essentiel dans la régulation de l’expression génique et la différenciation cellulaire. Les nombreuses modifications post-traductionnelles associées aux nucléosomes offrent un potentiel majeur de régulation épigénétique. Notre équipe étudie les marques épigénétiques associées aux différentes familles de séquences répétées (satellites, SINE, LINE…) afin de comprendre leur influence sur la stabilité du génome, l’architecture nucléaire et l’identité cellulaire. Nous avons développé des modèles cellulaires humains et murins permettant d’induire l’expression d’outils d’édition de l’épigénome, fondés sur les technologies TALE et CRISPR, afin de modifier une marque majeure de l’hétérochromatine, H3K9me3, sur des séquences répétées spécifiques. Nous développons également des outils d’optogénétique assurant un contrôle spatio-temporel précis de ces modifications ciblées. 

Notre expertise repose sur l’analyse intégrée de données de génomique fonctionnelle (ChIP-seq, Hi-C, RNA-seq) et de microscopie 3D à haut débit. Elle permet d’établir des liens de causalité entre les modifications épigénétiques induites, l’organisation tridimensionnelle du génome et la régulation génique. Enfin, l’équipe étudie la dynamique de dépôt de plusieurs marques d’histones au cours du cycle cellulaire, en combinant microscopie 3D et intelligence artificielle.

Crédits

©Judith Lopes & Xavier Marques.

Développement d’outils de réécriture de la marque H3K9me3 ciblant des séquences répétées. 

(A) TALE-KDM4D réduisant le niveau de H3K9me3 dans les satellites majeurs (péricentromères) de la lignée murine NIH-3T3. (B) Système optogénétique (dCas9-KRAB) inductible à la lumière bleue ciblant un minisatellite humain (cellules RPE1).

Développements futurs : Notre équipe a l’ambition de contrôler d’autres marques épigénétiques sur des familles de séquences répétées d’intérêt et d’identifier si la réécriture d’une marque est influencée par le contexte épigénétique local, mettant en lumière les interactions et relations causales entre les différentes marques. 

4/ Apprentissage Profond pour la Génomique et Génomique Synthétique :

Notre équipe a exploité des techniques d’apprentissage profond pour annoter les génomes et prédire les marques fonctionnelles à partir des séquences d’ADN. Nous avons été les pionniers de l’approche « mutasome », qui consiste à muter chaque paire de bases d’un génome pour prédire l’effet sur l’annotation du génome. Ces travaux ont jeté les bases de l’écriture de génomes, c’est-à-dire la conception contrôlée de séquences aux propriétés spécifiques. 

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Crédits

©DALL-E & J. Mozziconacci

Développements futurs : Nous continuerons à exploiter les techniques d’apprentissage profond pour l’annotation et l’écriture de génomes, en nous concentrant sur la compréhension des séquences qui participent à la régulation des paysages épigénétiques. Nous nous attacherons aussi à étudier le positionnement des nucléosomes chez les mammifères. Ces démarches visent aussi à mieux cerner le rôle des séquences répétées d’ADN dans le positionnement des nucléosomes et des marques épigénétiques qu’ils portent, ainsi que dans le fonctionnement de notre génome, notamment dans la régulation des gènes dans différents types cellulaires.

L’approche interdisciplinaire de notre équipe intègre harmonieusement des méthodes expérimentales et computationnelles avancées, englobant le séquençage de pointe, la génomique, la bioinformatique des séquences répétées, la microscopie et l’édition de l’épigénome. 

Réseaux et financement :

Inception
Bioconvergence
GP-write
Sorbonne centre for artifical inteligence (SCAI) 
ANR
Institut Universitaire de France
GDR ADN

Publications sélectionnées:

1: Gil J Jr, Navarrete E, Hockens C, Chowdhury N, Abraham S, Cornilleau G, Lei EP, Mozziconacci J, Banigan EJ, Rosin LF, Mirny LA, Muller H, Drinnenberg IA. Unique territorial and compartmental organization of chromosomes in the holocentric silkworm. EMBO J. 2026 Mar;45(5):1573-1620. doi: 10.1038/s44318-026-00694-3. PMID: 41629529. PMCID: PMC12953614

2: Meneu L, Chapard C, Serizay J, Westbrook A, Routhier E, Ruault M, Perrot M, Minakakis A, Girard F, Bignaud A, Even A, Gourgues G, Libri D, Lartigue C, Piazza A, Thierry A, Taddei A, Beckouët F, Mozziconacci J, Koszul R. Sequence-dependent activity and compartmentalization of foreign DNA in a eukaryotic nucleus. Science. 2025 Feb 7;387(6734):eadm9466. doi: 10.1126/science.adm9466. PMID: 39913590 

3: Routhier E, Joubert A, Westbrook A, Pierre E, Lancrey A, Cariou M, Boulé JB, Mozziconacci J. In silico design of DNA sequences for in vivo nucleosome positioning. Nucleic Acids Res. 2024 Jun 3:gkae468. doi: 10.1093/nar/gkae468. PMID: 38828788

4: Routhier E, Mozziconacci J. Genomics enters the deep learning era. PeerJ. 2022 Jun 24:10:e13613. doi: 10.7717/peerj.13613. PMID: 35769139. PMCID: PMC9235815 

5: Decombe S, Loll F, Caccianini L, Affannoukoué K, Izeddin I, Mozziconacci J, Escudé C, Lopes J. Epigenetic rewriting at centromeric DNA repeats leads to increased chromatin accessibility and chromosomal instability. Epigenetics Chromatin. 2021 Jul 28;14(1):35. doi: 10.1186/s13072-021-00410-x. PMID: 34321103; PMCID: PMC8317386

6: Haschka T, Ponger L, Escudé C, Mozziconacci J. MNHN-Tree-Tools: a toolbox for tree inference using multi-scale clustering of a set of sequences. Bioinformatics. 2021 Nov 5;37(21):3947-3949. doi: 10.1093/bioinformatics/btab430. PMID: 34100911

7: Routhier E, Pierre E, Khodabandelou G, Mozziconacci J. Genome-wide prediction of DNA mutation effect on nucleosome positions for yeast synthetic genomics. Genome Res. 2021 Feb;31(2):317-326. doi: 10.1101/gr.264416.120. PMID: 33355297; PMCID: PMC7849406

8: Cacheux L, Ponger L, Gerbault-Seureau M, Loll F, Gey D, Richard FA, Escudé C. The Targeted Sequencing of Alpha Satellite DNA in Cercopithecus pogonias Provides New Insight Into the Diversity and Dynamics of Centromeric Repeats in Old World Monkeys. Genome Biol Evol. 2018 Jul 1;10(7):1837-1851. doi: 10.1093/gbe/evy109. PMID: 29860303; PMCID: PMC6061836