L’équipe Panasyuk met en évidence un rôle nucléaire inattendu de la PI3K de classe 3, reliant la disponibilité des nutriments à l’activation des gènes.

Le jeûne est un état physiologique fondamental que connaissent presque tous les organismes, souvent plus longtemps que l’état nourri. S’y adapter exige de coordonner les réponses cytosoliques rapides, qui mobilisent les réserves énergétiques et activent l’autophagie, avec le remodelage transcriptionnel nucléaire nécessaire aux adaptations métaboliques durables. Le lien entre ces deux niveaux de régulation restait mal compris.

Une étude de l’équipe de Ganna Panasyuk à l’INEM, publiée dans Nature Cell Biology, montre que la PI3K de classe 3 (PI3K-3), surtout connue pour son rôle cytosolique dans l’autophagie, agit également sur la chromatine. En combinant génomique, transcriptomique, protéomique et métabolomique dans des cellules et le foie de souris, les chercheurs montrent que la PI3K-3 nucléaire s’associe à l’ARN polymérase II active et coactive le complexe Setd1a/COMPASS, qui dépose la marque activatrice H3K4me3. Elle soutient l’expression de gènes sensibles aux nutriments, notamment ceux de l’autophagie, coordonnant ce processus aux niveaux cytosolique et transcriptionnel.

Cette fonction nucléaire s’avère essentielle en situation de privation nutritionnelle. En l’absence de PI3K-3, l’induction des gènes de l’autophagie après privation en acides aminés est altérée. Chez des souris dont le foie est dépourvu de Vps15, environ 10 % seulement de la réponse transcriptionnelle au jeûne est préservée. Les gènes de la néoglucogenèse, de l’oxydation des acides gras, de la cétogenèse et du métabolisme des acides aminés s’activent mal, altérant l’utilisation des lipides et la production de corps cétoniques. L’étude montre que la PI3K-3 participe au maintien du pool nucléaire de SAM, reliant métabolisme des nutriments, méthylation des histones et activation génique.

Le laboratoire Panasyuk est fier d’avoir dirigé ce travail collaboratif national et international avec les laboratoires Lutter, Margueron, Ozawa et Hnia. Cette étude illustre la puissance d’une approche intégrant biologie cellulaire, épigénétique, biologie computationnelle et métabolisme pour révéler les mécanismes fondamentaux de l’adaptation cellulaire au stress nutritionnel.

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Entretien avec le premier auteur : la détection des nutriments s'étend au génome

1. Du recyclage cellulaire à la chromatine : qu'est-ce qui vous a amené à vous intéresser au rôle nucléaire de la PI3K-3, et où ce parcours vous a-t-il mené ?

Lorsque j’ai rejoint le laboratoire de Panasyuk, seules quelques études, menées principalement sur la levure, les plantes et les vers, suggéraient que la PI3K-3 pouvait jouer un rôle dans le noyau. Cette enzyme étant extrêmement conservée, il était passionnant de se demander si ses fonctions nucléaires avaient été conservées dans les cellules animales. Ce projet m’a immédiatement interpellé : il combinait une question physiologique fondamentale – comment les organismes s’adaptent-ils à l’alimentation et au jeûne ? – avec la profondeur mécanistique nécessaire pour suivre la réponse à travers plusieurs niveaux biologiques. Je suis passionné par la recherche mécanistique, j’ai donc eu le sentiment que ce projet m’appartenait dès le premier jour.
Ma première contribution a porté sur notre étude publiée en 2023 dans Nature Cell Biology, qui a mis en évidence une interaction fonctionnelle entre la PI3K-3 nucléaire et l’horloge circadienne. Cette découverte nous a convaincus d’étendre notre analyse à l’ensemble du mécanisme transcriptionnel central. Dans la présente étude, nous avons découvert que la PI3K-3 intervient fonctionnellement au niveau de la chromatine, où elle s’associe à l’ARN polymérase II transcriptionnellement active et co-active Setd1a/COMPASS, favorisant ainsi la méthylation H3K4me3 et la transcription en réponse aux nutriments. La perte de Vps15 a altéré l’induction des gènes de l’autophagie dans les cellules en état de privation alimentaire et a largement affaibli le programme transcriptionnel lié au jeûne dans le foie de souris. Le lien avec la SAM nucléaire a ajouté une autre dimension inattendue. Ensemble, ces résultats montrent comment un complexe de détection des nutriments peut coordonner une adaptation cytosolique rapide avec l’expression génique à plus long terme, tout en ouvrant un champ plus large de la signalisation nucléaire PI3K-3 et PI3P.

2. Votre étude a transcendé plusieurs frontières scientifiques. Quel a été le plus grand défi, et qu’est-ce qui a fait de l’INEM l’environnement idéal pour le relever ?

Nous avons commencé ces travaux pendant la pandémie de COVID-19 — un défi, mais aussi une aubaine. Avec le soutien de nos collaborateurs, j’ai profité de cette période pour me former aux approches computationnelles et analyser des données à l’échelle du génome. J’ai commencé en tant que biologiste cellulaire, puis je suis progressivement devenu également data scientist, partageant ces compétences avec mes collègues de laboratoire.
Un autre défi a consisté à mettre au point notre boîte à outils épigénomique. J’ai appris à utiliser et mettre en œuvre les techniques ChIP-seq et CUT&RUN pour cartographier les « écrivains » épigénétiques, les marques d’histones et — le plus difficile de tous — la PI3K de classe 3. Nous avons également développé des outils dCas-MINI pour cibler la PI3K-3 sur la chromatine. Je me souviens encore de l’excitation que j’ai ressentie en envoyant nos premiers échantillons ChIP-seq de PI3K-3 pour séquençage. Cette première expérience n’a pas fonctionné, mais nous n’avons pas baissé les bras. Le succès final a rendu le résultat d’autant plus gratifiant. À mesure que les données s’accumulaient, le projet a pris une ampleur qui dépassait le cadre d’un simple article. Nous avons dû choisir quelles branches — physiologie, mécanismes moléculaires ou métabolisme — nous pouvions explorer en profondeur. Ces décisions ont été difficiles, mais elles ont également révélé tout ce qu’il reste à découvrir. Une science audacieuse nécessite à la fois de l’ambition et des ressources. Le financement de l’ERC accordé à ma mentor, Ganna Panasyuk, nous a permis de créer, de tester et de valider ces outils. L’INEM et les plateformes du SFR Necker ont offert un environnement exceptionnel, et je tiens à mentionner Ivan Nemazanyy, de la plateforme de métabolomique : il a été un collaborateur infatigable dans l’élaboration des protocoles de métabolomique pour ce projet. Les visites dans les laboratoires partenaires en France, en Allemagne et au Japon ont transformé ces collaborations en relations personnelles auxquelles je tiens beaucoup. Alors que je quitte le laboratoire de Ganna Panasyuk, j’en retire une expertise plus large et une leçon : il faut faire preuve d’audace, de persévérance, créer des opportunités et rester débrouillard.

3. Maintenant que la détection des nutriments a atteint le génome, quelle sera la suite de l’histoire ?

Dans notre laboratoire, nous disons souvent que les meilleures histoires scientifiques laissent plus de questions que de réponses. Je suis heureux de dire que celle-ci en fait partie. En équipe, nous avons discuté des questions soulevées par cette étude, et deux priorités principales se sont dégagées.
La première priorité serait d’établir l’importance physiologique de la PI3K-3 nucléaire dans la santé et la maladie. Il serait formidable d’aller au-delà du foie à jeun pour examiner ses fonctions dans différents tissus, au cours des cycles alimentation-jeûne et dans les cellules humaines, ainsi que dans des conditions où la détection des nutriments ou le contrôle transcriptionnel sont perturbés. Cela devrait permettre de déterminer si la PI3K-3 nucléaire est un mécanisme adaptatif largement utilisé ou s’il revêt une importance particulière dans des contextes physiologiques et pathologiques spécifiques.
La deuxième priorité serait de comprendre les mécanismes moléculaires sous-jacents. Comment la PI3K-3 est-elle recrutée vers certaines régions de la chromatine pendant le jeûne, et forme-t-elle des complexes nucléaires spécialisés ? La dimension du signal nucléaire de la PI3P est également très passionnante, et il sera important de déterminer si la PI3P nucléaire contribue à l’organisation de la machinerie transcriptionnelle ou à la création d’environnements chromatiniques sensibles aux métabolites. 
Pour répondre à ces priorités communes, il faudra disposer d’outils spécifiques à chaque compartiment, permettant de distinguer les fonctions nucléaires de la PI3K-3 de ses rôles essentiels dans le cytosol. Ces travaux nous ont fourni à la fois un cadre conceptuel et une boîte à outils ; le prochain défi consistera à déterminer où, quand et pourquoi cette voie nucléaire revêt une importance particulière.