Étude des systèmes épigénétiques ciblant les éléments transposables et de leurs interconnexions chez Arabidopsis thaliana

Study of the Epigenetic Systems that target transposable elements and their interconnections in Arabidopsis thaliana

• Auteur / Autrice : Valentin Hure
• Direction : Angélique Deleris
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génétique
• Date : Soutenance le 14/11/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences du végétal : du gène à l'écosystème (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biologie intégrative de la cellule (Gif-Sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Biosphera (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Cécile Raynaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Bouyer, Myriam Calonje, Nicolas Bouche, Pierre Baduel, Sandra Duharcourt
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Daniel Bouyer, Myriam Calonje

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthylation

ADN

Protéines Polycomb

Arabidopsis thaliana

Transposons

Épigénétique

Mots clés libres

Epigénétique

Éléments transposables

Arabidopsis

Méthylation de l'ADN

Polycomb

Interconnexions

Epigenetics

Transposable elements

Arabidospsis

DNA methylation

Polycomb

Interconnections

Résumé

Les voies de répression par la méthylation de l'ADN/H3K9 et les protéines du groupe Polycomb-H3K27me3 ont longtemps été considérées comme mutuellement exclusives et spécifiques des éléments transposables (ET) et des gènes, respectivement, chez les mammifères, les plantes et les champignons. Cependant, il a été montré que H3K27me3 peut être recrutée sur de nombreux ETs en l'absence de la machinerie de méthylation de l'ADN/H3K9 et peut parfois coexister avec la méthylation de l'ADN. Mon travail de thèse avait pour objectif de caractériser dans quelle mesure la répression des ETs par H3K27me3 se produit chez Arabidopsis et dans quels contextes, ainsi que d'étudier les interconnexions entre H3K27me3 et la méthylation de l'ADN au niveau des ETs.Tout d'abord, j'ai montré que les ETs peuvent également être ciblés et réprimés uniquement par H3K27me3 dans les plantes Arabidopsis sauvage, « au lieu de » la méthylation de l'ADN. Ces ETs marqués par H3K27me3 ne se limitent pas seulement à des reliques dégénérées mais comprennent aussi des copies apparemment intactes, qui présentent les caractéristiques épigénétiques des gènes cibles des protéines du groupe Polycomb, telles que H2AK121ub et le variant d'histone H2A.Z, ainsi qu'une régulation active de H3K27me3. De plus, en comparant des accessions naturelles d'Arabidopsis, j'ai révélé une variation épigénétique drastique, où des copies orthologues d'ET marquées par la méthylation de l'ADN dans un écotype peuvent être marquées par H3K27me3 dans un autre écotype, ce qui indique une changement épigénétique au cours de la vie des ETs. En accord avec un recrutement des protéines du groupe Polycomb déterminé en cis, cette variation est principalement liée à des caractéristiques intrinsèques des ETs et, dans une moindre mesure, à des facteurs trans. Ces ETs, appelés « bifrons », pourraient permettre d'identifier à l'avenir les facteurs cis et trans impliqués dans le changement épigénétique ainsi que sa pertinence biologique.Dans la seconde partie de ma thèse, j'ai réalisé un profilage de la marque H3K27me3 dans le mutant responsable de la méthylation d'ADN de novo, drm2 et dans le triple mutant des déméthylases d'ADN, rdd. Cela nous a permis de révéler que le dépôt de H3K27me3 peut être antagonisé par la méthylation de l'ADN mais aussi dépendre de la méthylation de l'ADN de manière locus-spécifique, indiquant une nouvelle voie alternative pour recruter les protéines du groupe Polycomb. De plus, j'ai montré que l'action des déméthylases d'ADN peut être un prérequis pour un établissement correcte de H3K27me3. Globalement, nous avons mis en lumière une interconnexion complexe entre la méthylation de l'ADN et H3K27me3 et avons commencé à formuler des hypothèses sur les déterminants de leurs différentes interactions. Ainsi, mon travail de thèse a contribué à découvrir de nouvelles interdépendances mécaniques entre les deux modes majeurs de répression des éléments transposables chez les eucaryotes ainsi que leurs dynamiques à l'échelle de l'espèce.

The DNA/H3K9 methylation and Polycomb-group proteins (PcG)-H3K27me3 silencing pathways have long been considered mutually exclusive and specific to TEs and genes, respectively, in mammals, plants and fungi. However, H3K27me3 can be recruited to many TEs in the absence of DNA/H3K9 methylation machinery and sometimes also co-occurs with DNA methylation. My thesis work aimed to characterize the extent to which H3K27me3-mediated repression of TEs occurs in Arabidopsis and in which contexts, as well as to study the interconnections between H3K27me3 and DNA methylation at TEs. First, I have shown that TEs can also be solely targeted and repressed by H3K27me3 in wild-type Arabidopsis plants, “instead of” DNA methylation. These H3K27me3-marked TEs not only comprise degenerated relics but also seemingly intact copies, which display the epigenetic features of responsive PcG target genes, such as H2AK121ub and H2A.Z variant, as well as active H3K27me3 regulation. Additionally, a comparison of Arabidopsis natural accessions has uncovered drastic epigenetic variation, whereby orthologous TE copies marked by DNA methylation in one ecotype can be marked by H3K27me3 in another ecotype, indicating an epigenetic switch across TE lifespan. In agreement with a cis-determined PcG recruitment, this variation is primarily linked to intrinsic TE features and, to a lesser extent, to trans-acting factors. These TEs, coined as ‘bifrons', could serve to identify the cis and trans factors involved in the epigenetic switch and its biological relevance in the future. In the second part of my thesis, I performed H3K27me3 profiling in the de novo DNA methyltransferase mutant drm2 and the DNA demethylases triple mutant rdd. This allowed us to reveal that the deposition of H3K27me3 can be antagonized by DNA methylation but can also depend on DNA methylation in a locus-specific manner, highlighting an alternative pathway to recruit the PRC2 machinery. Furthermore, I have shown that the action of DNA demethylases can be a prerequisite for proper H3K27me3 deposition. Altogether, we have unveiled a complex crosstalk between DNA methylation and H3K27me3 and have started to draw hypotheses as for the determinants of their different interactions at play. Thus, my thesis work has helped to shed light on novel mechanistic interdependencies between the two major modes of transposable elements silencing in eukaryotes, as well as their dynamics at the species level.