Modifications des histones et dynamiques de l'organisation du génome en 3D en réponse au stress environnemental chez le blé

Histone Modifications and 3D Genome Organization Dynamics in Response to Environmental Stress in Wheat

• Auteur / Autrice : Qingyi Wang
• Direction : Moussa Benhamed, Cécile Raynaud
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences végétales
• Date : Inscription en doctorat le 01/09/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences du Végétal : du gène à l'écosystème
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IPS2 - Institut de Sciences des Plantes de Paris-Saclay
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : IPS2
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Dynamique de la chromatine

Expression des gènes

Architecture de la chromatine

Chromatin dynamics

Gene expression

Chromatin architecture

Résumé

Introduction : Modifications des histones et organisation du génome en 3D : Les modifications des histones sont essentielles pour réguler l'expression des gènes en modifiant la structure de la chromatine. L'organisation du génome en 3D fait référence à l'arrangement spatial de la chromatine, qui joue un rôle important dans la régulation de l'activité des gènes. La relation entre les modifications des histones et l'organisation du génome en 3D est cruciale pour comprendre comment les gènes réagissent aux stimuli environnementaux. Importance du blé et du stress thermique : Le blé est une culture d'importance mondiale, servant de nourriture de base pour des millions de personnes. En raison du changement climatique, le stress thermique devient une menace croissante pour la production de blé. Comprendre comment le blé réagit au stress thermique au niveau moléculaire est donc crucial. Focus de la recherche : Le projet se concentre sur deux questions principales : 1. Comment la chromatine et l'épigénome sont-ils modifiés de manière dynamique en réponse au stress ? 2. Quel rôle jouent les facteurs de transcription (TFs) dans la dynamique de la chromatine et les modifications des histones ? Pour répondre à ces questions, une analyse intégrative de plusieurs aspects est nécessaire. Comment l'expression des gènes et les états de la chromatine changent-ils en réponse au stress thermique ? En analysant les données de RNA-seq, nous avons identifié des gènes qui sont régulés à la hausse ou à la baisse en réponse au stress thermique. En utilisant plusieurs données de ChIP-seq, notamment H3K9ac, H3K4me2/3, H3K27me3, nous examinerons les changements dans les modifications des histones pour suivre les dynamiques avant et après le stress thermique. Cela nous aidera à identifier les marques d'histones associées aux gènes actifs ou réprimés sous stress thermique. Les éléments régulateurs cis, tels que les enhancers, jouent-ils un rôle dans la régulation des gènes clés pendant le stress thermique ? En analysant les données d'ATAC-seq, nous avons identifié des éléments régulateurs potentiels, tels que des enhancers, qui sont gagnés ou perdus en réponse au stress thermique. Ces éléments pourraient jouer un rôle crucial dans la régulation des gènes répondant à la chaleur. Pour affiner notre analyse, nous prioriserons les éléments régulateurs en fonction de l'enrichissement en motifs et des données de RNA-seq, en liant l'accessibilité de la chromatine aux changements d'expression génique. Comment l'organisation de la chromatine en 3D change-t-elle en réponse au stress thermique ? À partir de l'analyse des données Hi-C, nous explorerons comment l'organisation de la chromatine en 3D évolue en réponse au stress thermique, en nous concentrant sur les interactions au sein des compartiments A/B et des structures similaires aux TAD. En intégrant les données d'ATAC-seq, nous étudierons également comment les interactions de la chromatine à proximité des éléments régulateurs, tels que les enhancers, sont modifiées, offrant une vue d'ensemble des changements architecturaux de la chromatine pendant le stress thermique. Comment les HSF influencent-ils la dynamique de la chromatine en réponse au stress thermique ? Grâce à une analyse complète des données ATAC-seq et RNA-seq, nous avons identifié HSF comme le facteur de transcription clé dans la réponse au stress thermique. Pour approfondir son rôle, nous soumettrons des mutants knockout de HSF, des lignées surexprimées ainsi que des plantes sauvages à des traitements thermiques. Nous évaluerons ensuite les changements d'accessibilité de la chromatine, d'expression génique et de modifications des histones via ATAC-seq, RNA-seq et ChIP-seq. De plus, nous utiliserons le Hi-C pour explorer les changements dans l'architecture du génome en 3D et le Capture Hi-C pour nous concentrer sur les interactions enhancer-promoteur. Cela nous aidera à comprendre comment les HSFs médiatisent le remodelage de la chromatine et la régulation des gènes sous stress thermique.

Introduction: Histone Modification and 3D Genome Organization: Histone modifications are critical to regulate gene expression by altering chromatin structure. The 3D genome organization refers to the spatial arrangement of chromatin, which plays an important role in regulating gene activity. The relationship between histone modifications and 3D genome organization is essential for understanding how genes respond to environmental stimuli. Importance of Wheat and Heat Stress: Wheat is a globally important crop, serving as a staple food for millions. Due to climate change, heat stress is becoming an increasing threat to wheat production. Understanding how wheat responds to heat stress at the molecular level is crucial. Research Focus: The project centers on two main questions: 1. How are chromatin and the epigenome dynamically modified in response to stress? 2. What role do transcription factors (TFs) play in chromatin dynamics and histone modifications? To address these questions we wonder, How do gene expression and chromatin states change in response to heat stress? By analyzing RNA-seq data, we identified genes that are up- or down-regulated in response to heat stress. Using ChIP-seq data, we will examine changes in histone modifications to track dynamic shifts before and after heat stress. This will help us identify histone marks associated with either active or repressed genes under heat stress. Do cis-regulatory elements, such as enhancers, play a role in regulating key genes during heat stress? By analyzing ATAC-seq data, we identified potential regulatory elements, such as enhancers, that are gained or lost in response to heat stress. These elements may play a crucial role in regulating key heat-responsive genes. To refine our analysis, we will prioritize regulatory elements based on motif enrichment and RNA-seq data, linking chromatin accessibility with gene expression changes. How does 3D chromatin organization change in response to heat stress? From Hi-C data analysis, we will explore how 3D chromatin organization changes in response to heat stress, focusing on interactions within A/B compartments and TAD-like structures. By integrating ATAC-seq data, we will also investigate how chromatin interactions near regulatory elements, such as enhancers, are altered, providing a comprehensive view of chromatin architecture changes during heat stress.How HSFs influence chromatin dynamics in response to heat stress? Through integrative analysis of ATAC-seq and RNA-seq data, we identified HSF as the key transcription factor in the heat stress response. To explore its role further, we will subject HSF knockout mutants and overexpression lines as well as wildtype to heat treatments, we will assess chromatin accessibility, gene expressions and histone modifications changes through ATAC-seq, RNA-seq, and ChIP-seq. Additionally, we will employ Hi-C to investigate changes in 3D genome architecture and capture Hi-C focusing on enhancer-promoter interactions. This will help us understand how HSFs mediate chromatin remodeling and gene regulation under heat stress.