Prédire et comprendre la régulation transcriptionnelle du développement floral par LEAFY

Predicting and understanding transcriptional regulation of floral development by LEAFY

• Auteur / Autrice : Laura Turchi
• Direction : François Parcy, Antoine Frénoy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie végétale
• Date : Soutenance le 26/10/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physiologie cellulaire végétale (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Cristel Carles
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gabriel Krouk
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Klaas Vandepoele, Marie-Laure Martin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Facteurs de transcription

Radiomique

Gènes

Apprentissage automatique

Mots clés libres

Apprentissage automatique

Régulation des gènes

Analyse intégrative

Biologie computationnelle

Facteurs de transcription

Transcription factors

Computational biology

Gene regulation

Integrative analysis

Machine learning

Résumé

Le contrôle de l’expression des gènes est essentiel pour les organismes vivants, et sa perturbation peut compromettre la survie. Les facteurs de transcription (TFs) régulent l'expression génique en se liant à des séquences d'ADN spécifiques appelées sites de liaison des facteurs de transcription (TFBS). LEAFY (LFY) est un TF spécifique aux plantes qui joue un rôle crucial dans le développement floral. Il est fortement conservé en termes de séquence et de spécificité de liaison tout au long de l'évolution des plantes.Le rôle central de LFY dans la floraison a été étudié pendant des décennies, avec pourtant d’importantes zones d’ombres qui subsistent en ce qui concerne l’identification des cibles (gènes régulés) : pourquoi régule-t-il certaines régions génomiques in vivo et pas d'autres ? Pour élucider ce point, dans la première partie de ce manuscrit, je présente une approche permettant de prédire la régulation transcriptionnelle des TFBS de LFY dans la plante modèle Arabidopsis thaliana. J'ai utilisé des modèles classiques de liaison de LFY à l’ADN ainsi que le contexte génomique des sites LFY pour construire un modèle capable de distinguer les sites LFY fonctionnels (c'est-à-dire ceux liés par LFY et ayant effet sur l'expression génique in vivo) des sites non fonctionnels. Mes résultats suggèrent que la présence de TFBS de LFY environnants et, dans une moindre mesure, le niveau de diversité des TFBS d’autres TFs autour des sites LFY, sont importants pour distinguer les sites LFY fonctionnels des non fonctionnels. De plus, cette approche révèle plusieurs TFs qui co-occurrent avec LFY et qui contribuent à distinguer les sites régulés par LFY des sites LFY non fonctionnels. Malgré des preuves antérieures de l'importance fonctionnelle des régions conservées dans la régulation génique, l’inclusion de la conservation des sites LFY dans notre modèle n'a pas amélioré les prédictions, et je discute de raisons possibles derrière ce résultat. Dans l'ensemble, cette approche m'a permis de mieux caractériser la liaison de LFY à l'ADN, et elle peut être utilisée sur de nouvelles séquences génomiques pour prédire la régulation transcriptionnelle des sites par LFY, ainsi que par de nouveaux facteurs.En plus de son action indépendante, LFY interagit avec UNUSUAL FLORAL ORGANS (UFO), une protéine F-box, pour garantir le développement correct des pétales et des étamines. Bien que l'interaction LFY-UFO et leur implication dans le développement floral soient déjà connues, le rôle exact d'UFO dans ce processus devait encore être déterminé. Dans la seconde partie de ce manuscrit, j'inclus un article récemment publié sur le rôle transcriptionnel du complexe LFY-UFO dans le développement floral, permettant à LFY de se lier à des régions génomiques distinctes de LFY seul. De plus, je présente quelques résultats supplémentaires suggérant l'implication de LFY et UFO dans l'établissement du méristème floral aux premiers stades du développement floral, élargissant ainsi leur importance dans ce processus développemental crucial.

Ensuring correct gene expression is crucial for living organisms, as its disruption can compromise survival. Transcription factors (TFs) regulate gene expression through the binding of specific DNA sequences called transcription factor binding sites (TFBSs). LEAFY (LFY) is a plant-specific TF with a crucial role in floral development, and it is highly conserved in sequence and binding specificity throughout flowering plant evolution.LFY’s central role in flowering has been studied for decades, and yet it remains unclear why only a subset of the genomic regions bound by LFY are regulated. To elucidate this point, I present, in the first part of this manuscript, an approach to predict transcriptional regulation of LFY TFBSs in the model plant Arabidopsis thaliana. I used state-of-the-art LFY TFBS models and the genetically-encoded genomic context of LFY sites to successfully build a classifier that can distinguish functional LFY sites (i.e. TFBSs that are bound and have an effect on gene expression in vivo) from nonfunctional ones (i.e. TFBSs that are not bound and are not associated with gene expression changes in vivo). My results suggest that the presence of surrounding LFY TFBSs and, to a lesser extent, the level of non-LFY TFBS diversity around LFY sites, are important to distinguish functional and nonfunctional LFY sites. Moreover, this approach reveals a number of co-occurring TFs that contribute to set apart LFY-regulated sites from nonfunctional ones. Despite previous evidence of the functional importance of conserved regions in gene regulation, including conservation of LFY sites in our model did not improve predictions, and I discuss some possible reasons behind this result. Overall, this approach allowed me to further characterize LFY’s binding to DNA, and it can be used on new genomic sequences to predict transcriptional regulation of LFY sites, as well as with new TFs.In addition to working on its own, LFY interacts with UNUSUAL FLORAL ORGANS (UFO), an F-box protein, to ensure correct petal and stamen development. While the LFY-UFO interaction and their implication in flower development were already known, the exact role of UFO in this process had yet to be determined. In the second part of this manuscript, I include a recently published article on the transcriptional role of the LFY-UFO complex in flower development that allows access to genomic regions distinct from those bound by LFY alone. Moreover, I present some additional results suggesting the implication of LFY and UFO in floral meristem establishment in the early stages of flower development, broadening their importance in this crucial developmental process.