Mécanismes génétiques et épigénétiques de survie à la nuit polaire chez la diatomée Fragilariopsis cylindrus

Genetic and epigenetic mechanisms of survival to the polar night in the diatom Fragilariopsis cylindrus

• Auteur / Autrice : Juliette Laude
• Direction : Chris Bowler, Nathalie Joli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génétique
• Date : Soutenance le 04/12/2024
• 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 de l'École normale supérieure (Paris ; 2010-....)
• 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 : Angela Falciatore
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Leïla Tirichine Delacour, Peter Kroth, Marcel Babin, Cécile Raynaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Leïla Tirichine Delacour, Peter Kroth

Mots clés

Mots clés contrôlés

Régions polaires

Phytoplancton marin

Diatomées

Adaptation (biologie)

Transcriptome

Épigénétique

Mots clés libres

Epigénétique

Transcriptomique

Adaptation

Polaire

Diatomées

Phytoplancton

Epigenetics

Transcriptomics

Adaptation

Polar

Diatoms

Phytoplankton

Résumé

Dans les océans polaires, les microalgues marines sont chaque année soumises à la nuit polaire, un régime lumineux extrême caractérisé par une nuit continue pouvant durer jusqu'à 6 mois aux pôles. Malgré l'absence prolongée de lumière, leur principale source d'énergie, ces micro-organismes peuvent survivre et reprendre rapidement leur croissance dès que la lumière devient à nouveau disponible avec l'arrivée de l'été. Plusieurs stratégies physiologiques de survie pendant l'hiver ont été décrites chez les algues polaires (adaptation de l'activité photosynthétique, consommation des réserves, formation de formes résistantes, absorption de carbone organique dissous), mais les mécanismes moléculaires impliqués n'ont jamais été étudiés. L'objectif de ce projet est de comprendre les états génétiques et épigénétiques caractérisant les microalgues polaires soumises à une période prolongée d'obscurité, à travers l'étude de la diatomée Fragilariopsis cylindrus, particulièrement abondante dans les glaces de mer et les eaux polaires. Dans un premier temps, je me suis concentrée sur l'impact de l'obscurité prolongée sur l'activité cellulaire et j'ai démontré que F. cylindrus entre dans un état d'arrêt réversible du cycle cellulaire, appelé quiescence. L'expression du génome à l'obscurité a été ré-analysée en introduisant un facteur de normalisation externe (spike-in) dans la procédure expérimentale de RNA-seq, révélant une large diminution à l'échelle du génome de l'expression des gènes, qui avait auparavant été sous-estimée. Pour identifier les mécanismes régulateurs de l'expression génique qui sous-tendent les changements majeurs observés en réponse à l'obscurité prolongée, j'ai étudié la dynamique des modifications post-traductionnelles des histones entre lumière et obscurité. En collaboration avec la plateforme de protéomique de l'Institut Curie, nous avons identifié un large répertoire de modifications post-traductionnelles des histones chez F. cylindrus et comparé leur abondance entre lumière et obscurité par spectrométrie de masse. L'épigénome de F. cylindrus subit des changements considérables lors de la transition vers un état de quiescence, détectables à l'échelle du génome entier. Les histones H3 et H4 subissent une importante désacétylation en réponse à l'obscurité prolongée, un phénomène qui pourrait jouer un rôle dans la réduction globale de l'activité transcriptionnelle observée. Enfin, plusieurs immunoprécipitations de chromatine dirigées contre des marques d'histones connues pour leur rôle dans la régulation de l'expression génique ont été réalisées afin d'explorer plus en détail le rôle qu'elles jouent lors de l'acclimatation à l'obscurité.

In polar regions, marine microalgae are annually subjected to the polar night, an extreme light regime characterized by a continuous night that can last up to 6 months at the poles. Despite the prolonged absence of light, their primary energy source, these microorganisms can survive and rapidly resume growth as soon as light becomes available again with the arrival of summer. Several physiological overwintering strategies have been described in polar algae (adaptation of photosynthetic activity, consumption of reserves, formation of resistant forms, absorption of dissolved organic carbon), but the molecular mechanisms involved have never been studied. The objective of this project is to understand the genetic and epigenetic states characterizing polar microalgae subjected to a prolonged period of darkness, through the study of the diatom Fragilariopsis cylindrus, which is particularly abundant in polar sea ice and waters. Initially, I focused on how cellular activity is impacted by prolonged darkness and demonstrated that F. cylindrus enters a state of reversible cell cycle arrest, reminiscent of quiescence. Dark gene expression was re-analyzed by introducing an external normalization factor (spike-in) into the RNAseq experimental design, unveiling a genome-wide decrease in gene expression, which had been previously underestimated. To identify regulatory mechanisms of gene expression explaining the major changes observed in response to prolonged darkness, I investigated the dynamics of post-translational histone modifications between light and darkness. In collaboration with the Curie proteomics platform, we identified a broad repertoire of histone post-translational modifications in F. cylindrus and compared their abundance between light and darkness using mass spectrometry. The F. cylindrus epigenomic landscape undergoes considerable changes during the transition to a quiescent state detectable at the whole genome level. H3 and H4 histones experience significant deacetylation under prolonged darkness, a phenomenon that may play a role in dark-induced global reduction in transcriptional activity. Finally, several chromatin immunoprecipitations directed against histone marks known for their function in gene expression regulation were performed to explore in more detail the role they play during acclimation to darkness.