Silencing transcriptionnel et méthylation de l’ADN chez Arabidopsis thaliana

Transcriptional Gene Silencing and DNA methylation in Arabidopsis thaliana

• Auteur / Autrice : Amy Hesketh
• Direction : Olivier Mathieu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Épigénétique et Génétique Moléculaire
• Date : Soutenance le 02/07/2021
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences de la vie, santé, agronomie, environnement (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Génétique, Reproduction et Développement (Clermont-Ferrand)
• Jury : Président / Présidente : Maria-Eugenia Gallego
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emilie Brasset
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cécile Raynaud, Jean Molinier, Thierry Lagrange

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthylome

Arabidopsis thaliana

Mots clés libres

Silencing transcriptionnel

Méthylation ADN

RTEL1

Evadé

Transcriptional Gene Silencing

DNA methylation

RTEL1

Evadé

Résumé

Le silencing transcriptionnel est un mécanisme essentiel pour moduler l’expression des gènes, par exemple en fonction du stade développemental, et également pour bloquer la transcription des éléments transposables (ETs) dont l’expression peut être délétère. Ce mécanisme est dépendant de diverses modifications de la chromatine, telles que la méthylation ADN et les modifications post-traductionnelles des histones. Le silencing transcriptionnel est souvent associé à des niveaux élevés de méthylation ADN et on observe fréquemment une perte de silencing dans des mutants de gènes impliqués dans la maintenance de cette marque. Toutefois, les gènes et ETs méthylés peuvent cumuler d’autres couches de silencing qui interviennent, pour certaines, indépendamment de la méthylation ADN. Par deux études et approches distinctes nous avons cherché à identifier et comprendre ces voies de silencing indépendante de la méthylation ADN dans la plante modèle Arabidopsis thaliana. Par une première approche de génétique directe à l’aide d’un transgène soumis au silencing nous montrons que l’hélicase REGULATOR OF TELOMERE ELONGATION 1 (RTEL1), impliquée dans la réplication de l’ADN, participe au silencing d’un ensemble de gènes et éléments transposables. La perte de silencing dans le mutant rtel1 n’est pas corrélée à une baisse du niveau de la méthylation ADN ni à une désorganisation de l’hétérochromatine. Cependant, de nombreux loci hétérochromatiques présentent une augmentation des niveaux de méthylations ADN associée à une augmentation de l’accessibilité de la chromatine. La perte de silencing et l’hyperméthylation ADN semblent être des conséquences du stress réplicatif induit par la mutation rtel1. Nos résultats mettent donc en évidence le rôle de RTEL1 dans le silencing transcriptionnel et la prévention de l’hyperméthylation ADN de l’hétérochromatine, fonctions qui pourraient être liées à la réplication de l’ADN.D’autre part, nous nous sommes intéressés aux couches de silencing qui contrôlent l’élément transposable Evadé. En absence de méthylation CG, le silencing de cet élément est maintenu par une autre voie dans les tissus jeunes mais pas dans les tissus adultes. Nos données suggèrent que cette voie serait médiée par la triméthylation de la lysine 27 de l’histone H3 (H3K27me3), marque présente dans les tissus jeunes mais qui serait perdue dans les tissus adultes. Ce contrôle tissu-spécifique pourrait être un mécanisme global et concerné d’autres ETs du génome d’Arabidopsis.

Transcriptional silencing is an essential mechanism for controlling the expression of genes, for instance, depending on the developmental stage, and for blocking transcription of transposable elements (TEs), the expression of which can be deleterious. This mechanism is dependent of various chromatin modifications such as DNA methylation and histone post-translational modifications. Transcriptional silencing is commonly associated with high levels of DNA methylation and release of silencing is frequently observed in mutants for genes involved in DNA methylation maintenance. However, methylated genes and TEs can accumulate other silencing layers some of which may operate independently of DNA methylation. Through two distinct studies and approaches we sought to identify and understand these DNA methylation-independent pathways in the model plant Arabidopsis thaliana.Using a forward genetic approach with a silenced transgene we show that the DNA helicase REGULATOR OF TELOMERE ELONGATION 1 (RTEL1), implicated in DNA replication, is involved in the silencing of a set of genes and TEs. Loss of silencing in the rtel1 mutant is not correlated with a decrease in DNA methylation levels nor with heterochromatin organization defects. Yet, many heterochromatic loci show an increase in DNA methylation levels associated with an increase in chromatin accessibility. Loss of silencing and DNA hypermethylation seem to be consequences of the rtel1-induced replicative stress. Thus, our findings reveal a function for RTEL1, which might be linked to DNA replication, in maintaining silencing and in preventing heterochromatin DNA hypermethylation.We also investigated the different silencing layers which control the expression of the TE Evadé. In absence of CG methylation, silencing of this element is maintained by another pathway in young tissues but not in adult tissues. Our data suggest that this pathway may be mediated by the trimethylation of histone H3 lysine 27 (H3K27me3) present in young tissues and likely lost in adult tissues. This tissue-specific control could be a global mechanism which targets other TEs of the Arabidopsis genome.