Régulation épigénétique de la différentiation cellulaire par le complexe répresseur Polycomb 2 dans la racine d’Arabidopsis thaliana

Epigenetic regulation of root cell differentiation by the Polycomb Repressive Complex 2 in Arabidopsis thaliana

• Auteur / Autrice : Alice Hugues
• Direction : François Roudier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 29/04/2024
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Biologie Moléculaire Intégrative et Cellulaire (Lyon ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Reproduction et Développement des Plantes (Lyon ; 1993-....)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Cécile Caillaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Roudier, Marie-Cécile Caillaud, Sara Simonini, Antoine Martin, Marie Monniaux, Christel Carles
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sara Simonini, Antoine Martin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Arabidopsis thaliana

Différenciation cellulaire

Épigénétique

Mots clés libres

Epigénomique

Différentiation cellulaire

Méristèmes racinaires

Types cellulaires

Polycomb Repressive Complex 2

Cellule unique

Epigenomics

Cell differentiation

Root meristems

Cell types

Polycomb Repressive Complex 2

Single cell

Résumé

La différentiation cellulaire, qui désigne la transition d’une cellule d’un état souche vers un état mature, est un processus morphogénétique : elle s’accompagne de changements phénotypiques cellulaires issus de modifications de l’expression des gènes. L’activation et la répression de l’expression des gènes résulte de l’activité conjointe de facteurs de transcription et de complexes régulateurs de la chromatine qui instruisent des états chromatiniens locaux via des modifications post-traductionnelles (PTM) des histones nucléosomales. Ces états peuvent faciliter ou empêcher la machinerie de transcription de se lier aux séquences promotrices et régulatrices de gènes. Le Complexe Répressif Polycomb 2 (PRC2) est un complexe régulateur de la chromatine spécialisé dans le dépôt de groupes tri-méthyl sur la lysine 27 de l’histone 3 (H3K27me3). H3K27me3 est en général associée à la répression transcriptionnelle. La perte d’activité de PRC2 désorganise les processus développementaux dans le temps et dans l’espace aux échelles cellulaire et tissulaire. Mon projet doctoral vise à étudier le rôle de PRC2 dans la régulation transcriptionnelle au cours de la différentiation cellulaire lors du développement végétatif de la racine d’Arabidopsis thaliana. En intégrant des données épigénomiques et transcriptomiques en cellule unique, publiées et originales, j'ai disséqué les variations d’expression des gènes ciblés par PRC2 au cours de la différentiation de plusieurs types cellulaires de la racine. Je montre d’abord que la régulation transcriptionnelle par PRC2 est essentiellement type cellulaire-spécifique. De fait, l’activité différentielle des gènes ciblés par PRC2 peut être considérée comme une signature de chaque type cellulaire. De plus, les changements d’activité transcriptionnelle au cours de la différentiation surviennent par vagues spécifiques de chaque type cellulaire et auxquelles contribuent significativement les gènes ciblés par PRC2. La seconde partie de ce projet vise à établir une relation de causalité entre l’activité chromatinienne de PRC2, la régulation transcriptionnelle découlant de l’activité de PRC2 et l’exécution correcte de la différentiation lors de la morphogenèse racinaire. Pour cela, une approche de génétique inverse consistant à implémenter chez A. thaliana un système inductible qui génère, dans des populations de cellules et à un stade développemental choisis, la perte de fonction du gène FIE codant pour une sous-unité essentielle de PRC2. D’après nos premières observations, la perte de FIE post-germination phénocopie des mutants constitutifs de PRC2, suggérant l’implication de PRC2 dans l’orchestration de la différentiation, le maintien des niches de cellules souches et la zonation fonctionnelle des méristèmes racinaires.Notre travail met en lumière l’interaction entre régulation chromatinienne par le dépôt d’une PTM d’histone spécifique, H3K27me3, et la régulation transcriptionnelle au cours de la différentiation cellulaire.

Cell differentiation, the process that refers to the transition of stem cells to mature cells, is a morphogenetic process resulting in phenotypic changes at the cellular scale. It relies on a profound remodeling of cells transcriptome. Transcription activation and repression are the result of the intertwined activity of both transcription factors and chromatin-modifying complexes that define local chromatin states by depositing post-translational modifications on histone tails, thereby preventing or facilitating the transcription machinery to bind promoters and other regulatory elements. Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2) is a chromatin-modifying complex that catalyses the tri-methylation of lysine 27 of histone 3 (H3K27me3) which deposition is associated with repressive chromatin and transcriptional silencing in eukaryotes. Loss of PRC2 activity deeply impacts developmental processes in plants and metazoans, impairing the orchestration of developmental programs in space and in time, at both cellular and tissular scales.My doctoral project aimed at deciphering the role of PRC2 in regulating transcription during the establishment of cell types during post-embryonic development, using the root of Arabidopsis thaliana as model.By integrating both publicly available and original epigenomic and transcriptomic data at the single cell resolution, I dissected the transcriptional response of PRC2-regulated genes all along the differentiation of several root cell types. These analyses first showed that the transcriptional regulation by PRC2 is for the most part cell type-specific and subsequently that the differential expression of PRC2 target genes is a signature of cell types. Moreover, we found that PRC2-regulated genes are dynamically expressed during cell differentiation and that transcriptional changes occur by waves at key stages in the differentiation of each cell type. The second part of this project seeked to establish a direct causal link between PRC2 activity, the resulting transcriptional regulations and the acquisition of cell identities in A. thaliana primary and lateral roots using a reverse genetics approach. We implemented an inducible gene editing system to knock-out FIE, a gene encoding for a core PRC2 subunit, in a cell type- and developmental stage-specific manner. Using this method, we provide the first evidence of causality between PRC2 activity and its involvement in the homeostasis of root cell differentiation during the post-embryonic development of A. thaliana. Preliminary results showed that FIE knock-out after germination phenocopies classical PRC2 mutants, highlighting the role of PRC2 in both guiding root differentiation and maintaining the indeterminacy and the longitudinal patterning of root meristems to support continuous root growth. Taken together, our results shed new lights into the role of chromatin regulation by PRC2 in the transcriptional control of cell differentiation.