Base moléculaire de l'organisation chromatine 3D en Arabidopsis thaliana & Solanum lycopersicum au cours du développement et en réponse au stress

Molecular basis of 3D chromatin organization in Arabidopsis thaliana & Solanum lycopersicum during development and in response to stress

• Auteur / Autrice : Ying Huang
• Direction : Moussa Benhamed
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie
• Date : Soutenance le 04/10/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences du Végétal : du gène à l'écosystème
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Biosphera (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences des plantes de Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Florian Frugier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : José Manuel Pérez-Pérez, Miguel A. Blázquez, Aline Probst, Martin Crespi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : José Manuel Pérez-Pérez, Miguel A. Blázquez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tomate

Arabidopsis thaliana

Plantes -- Développement

Épigénétique

Interaction gène-environnement

Mots clés libres

Organisation de la chromatine

Polycomb

H3K27me3

Stress thermique

HSFA1a

Interactions promoteur-amplificateur

Chromatin organization

Polycomb

H3K27me3

Heat stress

HSFA1a

Promoter-enhancer interactions

Résumé

Les plantes étant des organismes sessiles, elles ne peuvent échapper aux conditions environnementales néfastes telles que la chaleur, le froid, la sécheresse, la salinité et les infections par des pathogènes. Ainsi, les plantes ont développé des mécanismes sophistiqués pour répondre et s'adapter aux fluctuations de leur environnement. Il est maintenant largement admis que les modifications de la chromatine sont des éléments centraux de la réponse et de l'adaptation de la plante aux changements environnementaux, car ils contribuent à la reprogrammation transcriptionnelle sous-jacente à cette adaptation. Cette dynamique chromatinienne est également essentielle au développement des plantes, comme de tous les organismes multicellulaires, en permettant l'activation ou la répression simultanées des gènes spécifiques aux différents types cellulaires.Dans ce cadre, mon projet de thèse a porté sur deux espèces modèles : Arabidopsis thaliana, chez qui des ressources génétiques considérables sont disponibles pour disséquer les mécanismes moléculaires, et la Tomate (Solanum lycopersicum), chez qui on connaît peu à ce jour le rôle de la dynamique de la chromatine lors de stress. Le projet de thèse vise à décrypter le rôle de la dynamique de la chromatine dans l'orchestration du développement des plantes et de la réponse au stress thermique. Ainsi, mon projet de thèse s'articule autour de deux parties :A) pour la partie développement de la plante, j'ai utilisé la plante modèle Arabidopsis thaliana, et étudié l'impact de la marque H3K27me3. Cette marque répressive est impliquée dans le développement des plantes. Afin d'approfondir notre compréhension du rôle de H3K27me3 dans l'organisation spatiale de la chromatine au cours du développement de la plante, nous avons comparé précisément l'organisation 3D de la chromatine des parties aériennes et racinaires d'Arabidopsis en utilisant les méthodes d'immuno-détection, HiChIP et Capture HiC. Nous avons ainsi montré i) que la chromatine d'Arabidopsis présente une forte compartimentation séparant les gènes transcriptionnellement actifs et inactifs dans différents compartiments nucléaires, ii) que les noyaux des parties aériennes et des racines présentent une architecture de chromatine 3D distincte avec des interactions spécifiques à longue et courte portée allant de quelques kilobases à plusieurs mégabases et iii) que le niveau de H3K27me3 est en corrélation avec la stabilité des boucles répressives. Nos résultats démontrent que l'organisation tridimentionnelle du génome est étroitement liée aux modifications des histones qui déclenchent la formation de domaines de chromatine associés à la co-régulation des gènes, permettant ainsi un développement harmonieux des plantes.B) Pour la partie réponse de la plante au stress, j'ai travaillé sur la tomate (Solanum lycopersicum) et le stress thermique pour étudier les bases moléculaires de la réorganisation de la chromatine en réponse à l'environnement. Nous avons utilisé les méthodes d'immuno-détection, ChIP-seq, HiChIP-RNPII et Capture HiC et constaté que i) l'architecture de la chromatine de la tomate affiche une forte compartimentation et s'organise autour « d' usines de transcription », ii) l'organisation globale de la chromatine est fortement affectée par le stress thermique et iii) une réorganisation 3D de la chromatine se produit pour induire de manière transitoire des interactions promoteur-élément régulateur en réponse au stress thermique grâce à l'action des facteurs de transcription (TF). Nos résultats ont démontré que les TF jouent un rôle majeur dans la formation dynamique des contacts promoteur-amplificateur en réponse au stress thermique et contrôlent ainsi la réponse transcriptionnelle chez la tomate.

Due to their sessile nature, plants cannot escape detrimental environmental conditions such as heat, cold, drought, salinity, and pathogen infectionsThus, plants have evolved sophisticated mechanisms to respond to and adapt to various turbulent environments. It is now widely accepted that chromatin modifications are central elements of the plant's response and adaptation to environmental changes. Chromatin remodeling plays a crucial role in orchestrating stress response, but is also required for proper development at all stages of the plant's life cycle by allowing coordinated activation or repression of gene sets that are specific for each cell type.In this context, my thesis project focused on two model species: Arabidopsis thaliana, in which considerable genetic resources are available to dissect molecular mechanisms, and Tomato (Solanum Lycopersicum), in which little is known to date regarding the role of chromatin dynamics during stress responses. And the thesis project aims to decipher the role of chromatin dynamics during plant development and response to heat stress. Hence, my thesis project focused on two parts: A) for the plant development part, to work on Arabidopsis thaliana, and to study the impact of H3K27me3. This repressive covalent histone modification mark is involved in plant development. In order to deepen our comprehension of the role of H3K27me3 in spatial chromatin organization during plant development, we studied precisely the 3D chromatin organization of Arabidopsis shoot and root by using immuno-detection, HiChIP, and Capture HiC methods, finding i) that Arabidopsis chromatin displays a strong compartmentalization where transcriptionally active and inactive genes sit in different nuclear compartments, ii) that shoot and root nuclei display distinct 3D chromatin architecture with specific long and short-range interactions ranging from few kilobases to several megabases and iii) that the level of H3K27me3 correlates with the stability of repressive loops. Our results demonstrate that the dynamic 3D genome organization is tightly linked to histone modifications that trigger the formation of chromatin domains associated with gene co-regulation, thereby allowing accurate plant development. B) For the plant response to stress part, work on tomato (Solanum Lycopersicum) and heat stress to study the molecular basis of the re-organization of chromatin in response to the environment. We used immuno-detection, ChIP-seq, HiChIP-RNPII and Capture HiC methods finding that i) tomato chromatin architecture displays a strong compartmentalization and is organized around transcription factories, ii) global chromatin organization is strongly affected by heat stress and iii) a 3D chromatin reorganization occurs to transiently induce promoter-Regulatory Element interactions in response to heat stress thanks to the action of Transcription Factors (TFs). Our results demonstrated that TFs play a major role in the dynamic formation of promoter-enhancer contacts in response to heat stress and thereby controls transcriptional response in tomato.