Organisation de la périphérie nucléaire et son influence sur l’expression des gènes chez Arabidopsis thaliana

Organisation of the nuclear periphery and its influence on gene expression in Arabidopsis thaliana

• Auteur / Autrice : Sarah Mermet
• Direction : Christophe Tatout
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génétique, Physiologie, Pathologies, Nutrition, Microbiologie Santé, Innovation
• Date : Soutenance le 02/12/2022
• 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 : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Vanrobays, Emilie Brasset
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Célia Baroux, Cécile Raynaud, Frédéric Pontvianne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Arabidopsis thaliana

Mots clés libres

Plantes

Nucléosquelette

Pore nucléaire

Interactions protéine-protéine

Plants

Nucleoskeleton

Nuclear pore complex

Protein-protein interactions

Résumé

Les eucaryotes organisent et protègent leur génome au sein du noyau, un organite délimité par une enveloppe nucléaire ponctuée par des pores nucléaires qui permettent les échanges nucléocytoplasmiques, et en dessous de laquelle se localise le nucléosquelette, une structure filamenteuse en contact avec le matériel génétique. Enveloppe nucléaire, pores nucléaires et nucléosquelette constituent non seulement des éléments structuraux qui participent à l’établissement de la morphologie du noyau mais sont également suggérés comme constituant la périphérie nucléaire, un domaine nucléaire qui régule l'expression du génome. Dans ce travail, nous avons utilisé la plante modèle Arabidopsis thaliana pour étudier KAKU4 et CROWDED NUCLEI 1-4 (CRWN) qui sont les principales protéines entrant dans la composition du nucléosquelette des plantes. En cherchant à déterminer comment le nucléosquelette se localisait à la périphérie nucléaire, nous avons identifié de courts motifs protéiques dans la région N-terminale de KAKU4 qui sont également retrouvés dans NUP82 et NUP136, deux nucléoporines appartenant au pore nucléaire. Par des méthodes de double hybride, d’expression transitoire et de complémentation fonctionnelle, j’ai montré que ces motifs sont nécessaires à l'interaction physique entre le pore nucléaire et le nucléosquelette et permettent la localisation du nucléosquelette à la périphérie nucléaire. De plus, une analyse phylogénétique suggère que NUP82, NUP136 et KAKU4 dériveraient d’une nucléoporine ancestrale commune à partir de laquelle KAKU4 aurait divergée au cours de l’évolution puis acquis une nouvelle fonction associée au nucléosquelette. J’ai étendu ces liens évolutifs à la protéine CRWN1 qui possède le même motif protéique que KAKU4 que nous avons appelé peripheral localisation signal (PLS) et qui détermine pour ces deux protéine l’enrichissement à la périphérie nucléaire. Ces liens évolutifs étroits entre acteurs de la périphérie nucléaire a été renforcé par la création d’une collection de multi-mutants dont la caractérisation met en évidence l’existence d’interactions génétiques fortes entre le pore nucléaire et le nucléosquelette. Ainsi, les mutations nup136 et crwn1 induisent des effets synergiques qui se traduisent par des défauts sévères dans le développement de la plante au stade végétatif et reproductif et une dérégulation forte de gènes impliqués dans la réponse aux stress biotiques et abiotiques, soulignant le rôle essentiel de l’acide salicylique dans les anomalies de développement de nos mutants.L’ensemble de ces travaux mettent en évidence une origine évolutive et des fonctions communes entre plusieurs acteurs de la périphérie nucléaire et leur rôle central dans l’intégration des signaux de réponse de la plante lors de stress biotiques ou abiotiques.

Eukaryotes organise and protect their genome within the nucleus, an organelle delimited by a nuclear envelope punctuated by nuclear pores that allow nucleocytoplasmic exchanges, and below which is located the nucleoskeleton, a filamentous structure in contact with the genetic material. The nuclear envelope, nuclear pores and nucleoskeleton are not only structural elements that participate in establishing the morphology of the nucleus but are also suggested to constitute the nuclear periphery, a nuclear domain that regulates genome expression. In this work, we used the model plant Arabidopsis thaliana to study KAKU4 and CROWDED NUCLEI 1-4 (CRWN), which are the main proteins that make up the plant nucleoskeleton. In an effort to determine how the nucleoskeleton locates at the nuclear periphery, we identified short protein motifs in the N-terminal region of KAKU4 that are also found in NUP82 and NUP136, two nucleoporins belonging to the nuclear pore. Using two-hybrid, transient expression and functional complementation assays, I showed that these motifs are required for the physical interaction between the nuclear pore and the nucleoskeleton and allow the localisation of the nucleoskeleton at the nuclear periphery. Furthermore, phylogenetic analysis suggests that NUP82, NUP136 and KAKU4 derive from a common ancestral nucleoporin from which KAKU4 diverged during evolution and then acquired a new function associated with the nucleoskeleton. I extended these evolutionary links to the CRWN1 protein, which has the same protein motif as KAKU4, which we called peripheral localization signal (PLS) and which determines enrichment at the nuclear periphery for both proteins. These close evolutionary links between actors in the nuclear periphery have been reinforced by the creation of a collection of multi-mutants whose characterisation highlights the existence of strong genetic interactions between the nuclear pore and the nucleoskeleton. Thus, the nup136 and crwn1 mutations induce synergistic effects that result in severe defects in the development of the plant at the vegetative and reproductive stages and a strong deregulation of genes involved in the response to biotic and abiotic stresses, underlining the essential role of salicylic acid in the developmental anomalies of our mutants.All of this work highlights an evolutionary origin and common functions between several actors of the nuclear periphery and their central role in the integration of plant response signals during biotic or abiotic stress.