Modifications des histones et leur rôle dans le développement d'Arabidopsis

Roles of histone modifications in Arabidopsis development

• Auteur / Autrice : Lin Xu
• Direction : Wen-Hui Shen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie cellulaire et moléculaire des plantes
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ubiquitination

Histone

Méthylation

Histones

Reproduction (biologie)

Arabidopsis

Résumé

Chez Arabidopsis, la transition développementale de la phase végétative vers la phase de reproduction est génétiquement contrôlée par différentes voies. La voie autonome et la voie de vernalisation convergent au niveau de la régulation de l’expression de FLOWERING LOCUS C (FLC). L’activation et la répression d’expression du FLC est sousmise au contrôle épigénétique. La première partie de ma thèse porte sur une étude des mutants de perte de fonction du SDG8 et du SDG26 qui code des protéines à domaine SET montrant une forte homologie. Une perte de fonction du SDG8, mutants sdg8-1 ou sdg8-2, cause une floraison précoce, qui est en corrélation avec une diminution au niveau d’expression du FLC et ses homologues. Par Western blot et ChIP, j’ai montré que chez ces plantes mutantes, les niveaux de diet tri-méthylation de H3K36 ont été grandement réduits, alors que le niveau de mono-méthylation de H3K36 a été augmenté. Ainsi, j’ai pu établir que la di- et tri-méthylation mais pas la mono-méthylation de H3K36 est associée à l’activation de transcription du FLC et ses homologues. Contrairement à sdg8-1 et sdg8-2, les mutants sdg26-1 et sdg26-2 montrent un phénotype de floraison tardive et une augmentation d’expression du FLC. Cependant, le mécanisme moléculaire de cette activation d’expression du FLC reste actuellement inconnu. Chez la levure, mono-ubiquitylation de l’histone H2B précède H3K4- et H3K36-methylation au cours de l’initiation et l’élongation de transcription. La deuxième partie de ma thèse porte sur la caractérisation moléculaire et fonctionnelle de AtUBC1 et AtUBC2 codant des homologues de Rad6, une enzyme E2 responsable de la mono-ubiquitylation de H2B chez la levure. Bien que les mutants simples Atubc1-1 et Atubc2-1 ont un phénotype normal, le mutant double Atubc1-1Atubc2-1 montre un phénotype de floraison avancée. Nos études montrent que comme chez sdg8-2, l’expression du FLC est réduite chez les plantes Atubc1-1Atubc2-1. Par Western blot, nous avons montré que la mono-ubiquitination de H2B est fortement réduite chez les plantes Atubc1-1Atubc2-1. L’ensemble de ces résultats suggère que H2B mono-ubiquitination et H3K36-methylation forment une voie moléculaire de régulation de la transcription du FLC, jouant un rôle primordiale dans la floraison. La dernière partie de ma thèse porte sur la caractérisation de deux nouveaux gènes LOC1 et LOC2 codant des protéines à domaine RING, potentiellement impliquées dans l’ubiquitination d’histones. J’ai montré que le double mutant loc1-1loc2-1 a un phénotype de formation ectopique des méristèmes. Des analyses moléculaires ont révélé que la répression des gènes de la classe I KNOX, comme STM, KNAT1/BP, KNAT2 et KNAT6, est relâchée chez le mutant loc1-1loc2-1. L’interaction physique et génétique a été détectée entre LOC1/LOC2 et CLF ou LHP1, suggérant une voie de Polycomb silencing dans la répression des gènes KNOX pour confiner le méristème du tige.

In Arabidopsis, the developmental transition from vegetative to reproductive growth is controlled by several genetic pathways. The autonomous pathway and the vernalization pathway converge at the regulation of FLOWERING LOCUS C (FLC) expression. Both activation and repression of FLC expression are controlled by epigenetic mechanisms. The first part of my thesis focuses on the study of loss-of-function mutants of SDG8 and SDG26, which encode SET domain proteins showing high homologies. Loss-of-function of SDG8, mutants sdg8-1 and sdg8-2, causes early flowering which is correlated with decreased expression of FLC and its homologues. By Western blot and ChIP, I demonstrated that levels of H3K36 di- and tri-methylation were greatly reduced while the level of H3K36 mono-methylation was increased in the sdg8 mutants. My study thus establishes that H3K36 di- and tri- but not mono-methylation is associated with transcription activation. In contrast to sdg8-1 and sdg8-2, sdg26-1 and sdg26-2 mutants showed a late flowering phenotype and an increased level of FLC expression. Nevertheless, molecular mechanism involved in FLC activation in sdg26-1 and sdg26-2 is currently unknown. In yeast, histone H2B mono-ubiquitylation is reported to precede H3K4 and H3K36 methylation during transcription initiation and elongation. The second part of my thesis focuses on molecular and functional characterization of AtUBC1 and AtUBC2 which encode homologues of Rad6, an E2 enzyme responsible for H2B mono-ubiquitylation in yeast. Although single mutants Atubc1-1 and Atubc2-1 have a normal phenotype, the double mutant Atubc1-1Atubc2-1 shows an early flowering phenotype. Our studies show that as in sdg8 mutants, expression of FLC and its homologues is reduced in Atubc1-1Atubc2-1. By Western blot, we showed that H2B mono-ubiquitination is significantly reduced in Atubc1-1Atubc2-1. Together these results suggest that H2B mono-ubiquitination and H3K36 methylation form a molecular pathway to regulate the FLC transcription, and play a crucial role in flowering. The last part of my thesis focuses on characterization of two novel RING domain genes LOC1 and LOC1, potentially involved in histone ubiquitination. I show that the double mutant loc1-1loc2-1 has a drastic phenotype of ectopic meristem formation. Molecular analysis revealed that the suppression of the Class I KNOX genes, STM, KNAT1/BP, KNAT2 and KNAT6, is released in loc1-1loc2-1. Physical and genetic interactions were observed between LOC1/LOC2 and CLF or LHP1, suggesting a Polycomb silencing pathway involved in repression of KNOX genes to confine shoot meristem.