Human genome segmentation into structural domains : from chromatin conformation data to nuclear functions

• Main Author: Boulos, Rasha
• Other Authors: Lyon, École normale supérieure
• Language: en
• Published: 2015
• Subjects: Génome; Réplication; Timing de réplication; Données Hi-C; Structure; Graphe; Communautés; Mesures de centralité; Genome; Replication; Timing; Hi-C data; Graph; Communities; Centrality measures
• Online Access: http://www.theses.fr/2015ENSL1024/document

Le programme de réplication d’environ la moitié du génome des mammifères est caractérisé par des U/N-domaines de réplication de l’ordre du méga-base en taille. Ces domaines sont bordés par des origines de réplication maitresses (MaOris) correspondantes à des régions (~200 kb) de chromatine ouverte favorables à l’initiation précoce de la réplication et de la transcription. Grâce au développement récent de technologies à haut débit de capture de conformations des chromosomes (Hi-C), des matrices de fréquences de co-localisation 3D entre toutes les paires de loci sont désormais déterminées expérimentalement. Il est apparu que les U/N-domaines sont reliés à l’organisation du génome en unités structurelles. Dans cette thèse, nous avons effectué une analyse combinée de données de Hi-C de lignées cellulaires humaines et de profils de temps de réplication pour explorer davantage les relations structure/fonction dans le noyau. Cela nous a conduit à décrire de nouveaux domaines de réplication de grande tailles (>3 Mb) : les split-U-domaines aussi bordés par des MaOris; à démontrer que la vague de réplication initiée aux MaOris ne dépend que du temps pendant la phase S et de montrer que le repliement de la chromatine est compatible avec un modèle d’équilibre 3D pour les régions euchromatiniennes à réplication précoces et un modèle d’équilibre 2D pour les régions heterochromatiniennes à réplication tardives associées à la lamina nucléaire. En représentant les matrices de co-localisation issues du Hi-C en réseaux d’interactions structurelles et en déployant des outils de la théorie des graphes, nous avons aussi démontré que les MaOris sont des hubs interconnectés à longue portée dans le réseau structurel, fondamentaux pour l’organisation 3D du génome et nous avons développé une méthodologie multi-échelle basée sur les ondelettes sur graphes pour délimiter objectivement des unités structurelles à partir des données Hi-C. Ce travail nous permet de discuter de la relation entre les domaines de réplication et les unités structurelles entre les différentes lignées cellulaires humaines. === The replication program of about one half of mammalian genomes is characterized by megabase-sized replication U/N-domains. These domains are bordered by master replication origins (MaOris) corresponding to ~200 kb regions of open chromatin favorable for early initiation of replication and transcription. Thanks to recent high-throughput chromosome conformation capture technologies (Hi-C), 3D co-localization frequency matrices between all genome loci are now experimentally determined. It appeared that U/N-domains were related to the organization of the genome into structural units. In this thesis, we performed a combined analysis of human Hi-C data and replication timing profiles to further explore the structure/function relationships in the nucleus. This led us to describe novel large (>3 Mb) replication timing split-U domains also bordered by MaOris, to demonstrate that the replication wave initiated at MaOris only depends of the time during S phase and to show that chromatin folding is compatible with a 3D equilibrium in early-replicating euchromatin regions turning to a 2D equilibrium in the late-replicating heterochromatin regions associated to nuclear lamina. Representing Hi-C co-localization matrices as structural networks and deploying graph theoretical tools, we also demonstrated that MaOris are long-range interconnected hubs in the structural network, central to the 3D organization of the genome and we developed a novel multi-scale methodology based on graph wavelets to objectively delineate structural units from Hi-C data. This work allows us to discuss the relationship between replication domains and structural units across different human cell lines.