Dynamiques chromatiniennes au cours de la photomorphogenèse chez Arabidopsis thaliana

par Clara Bourbousse

Thèse de doctorat en Biologie

Sous la direction de Fredy Barneche et de Chris Bowler.

Le président du jury était Dao Xiu Zhou.

Le jury était composé de Dao Xiu Zhou, Thierry Lagrange, Christian Fankhauser.

Les rapporteurs étaient Patrick Achard, Thierry Lagrange.


  • Résumé

    Les états chromatiniens peuvent être étudiés à l’échelle des unités transcriptionnelles par des approches moléculaires ou à l'échelle plus globale de l'hétérochromatine structurée au sein de chromocentres par des approches cytogénétiques. Ces deux niveaux d’organisation de la chromatine sont dynamiques et influencent l'ensemble des processus nucléaires. L’objectif de cette thèse était d'avancer la compréhension des dynamiques chromatiniennes à ces deux échelles chez la plante modèle Arabidopsis thaliana, en se focalisant sur une transition développementale majeure, la photomorphogenèse. Le processus de dé-étiolement implique la reprogrammation de l’expression de centaines de gènes en réponse à la lumière, constituant ainsi un excellent modèle d'étude. La première partie des travaux montre que la reprogrammation de l’expression du génome au cours de la photomorphogenèse est associée à des dynamiques de l’hétérochromatine qui sont régulés de façon différentielles dans les hypocotyles et les cotylédons. Ces dynamiques à grande échelle ont des conséquences localement, car les états décompactés sont associés à la réactivation d'éléments hétérochromatiniens répétés. Dans une deuxième partie, le répresseur transcriptionnel DE-ETIOLATED-1 (DET1) a été utilisé afin de rechercher l'implication de régulateurs de la photomorphogenèse dans les mécanismes chromatiniens. Ce répresseur majeur de la photomorphogenèse peut lier l'histone H2B et influence le niveau global de sa modification par mono-ubiquitination (H2Bub). Dans le cadre de ma thèse, j'ai révélé d'une part l’existence d’interactions génétiques entre DET1 et les gènes contrôlant l’homéostasie de H2Bub et d'autre part un défaut de la régulation chromatinienne des variants des gènes ribosomiques 5S et 45S dans le mutant det1-1. L’ensemble de ces données permet de proposer un modèle impliquant DET1 dans la régulation de H2Bub de façon différentielle dans l’euchromatine et l’hétérochromatine, constituant ainsi le premier lien entre régulateurs de la photomorphogenèse et modifications des histones. La marque H2Bub étant directement liée à l'activité transcriptionnelle chez divers eucaryotes, l'impact de H2Bub sur l'expression des gènes durant la photomorphogenèse a été analysé. La combinaison d’approches épigénomiques et transcriptomiques a permis de montrer que le gain de H2Bub est associé à l’induction des gènes. L’utilisation du mutant hub1 dans lequel le dépôt de H2Bub est aboli a également permis de révéler le rôle de cette marque pour une régulation rapide de l’induction et de la répression de nombreux gènes. De façon générale, ce travail a révélé des dynamiques chromatiniennes impliquant des réorganisations massives au niveau cytologique ainsi que des variations fines des modifications d'histones au niveau des gènes de l'euchromatine, ainsi que le rôle de DET1 dans la régulation de ces processus. Il ouvre donc la voie à l'étude des connections entre ces deux échelles de dynamiques pour la régulation de l'activité transcriptionnelle, liant compartimentation nucléaire et activité des gènes dans le contexte global de la réponse aux signaux lumineux.

  • Titre traduit

    Chromatin dynamics during photomorphogenesis in Arabidopsis thaliana


  • Résumé

    Chromatin states can be studied both at the level of individual transcriptional units by molecular approaches or at the larger scale of heterochromatin by cytogenetic approaches. These two levels of chromatin organization are dynamic and influence all nuclear processes. The objective was to enhance the understanding of chromatin dynamics at these two scales in the model plant Arabidopsis thaliana, focusing on a major developmental transition, photomorphogenesis. The process of de-etiolation involves the reprogramming of the expression of hundreds of genes in response to the perception of light therefore constituting an excellent experimental system. The first part of the work shows that reprogramming of genome expression during photomorphogenesis is associated with heterochromatin dynamics that is differentially regulated in the hypocotyls and the cotyledons. These widespread dynamics have local consequences, as the decompacted states are associated with reactivation of heterochromatic repeat elements. In the second part, the transcriptional repressor DE-ETIOLATED-1 (DET1) was used to investigate the involvement of photomorphogenesis regulators in chromatin mechanisms. This major repressor of photomorphogenesis can bind histone H2B and influences the overall level of mono-ubiquitinated H2B (H2Bub). As part of my thesis, I uncovered the existence of genetic interactions between DET1 and the genes controlling H2Bub homeostasis and also a defect in the regulation of the chromatin around the 45S and 5S ribosomal genes in the mutant det1-1. These data have led me to propose a model involving DET1 in the differential regulation of H2Bub in heterochromatin and euchromatin, thus constituting for the first time a link between photomorphogenesis regulators and histone modifications. Because the H2Bub mark has been directly linked to transcriptional activity in a diverse range of eukaryotes, I analysed the impact of H2Bub on gene expression during photomorphogenesis in the third part of my thesis. The combination of transcriptomic and epigenomic approaches showed that the gain of H2Bub is associated with gene induction. The use of a hub1 mutant in which H2Bub deposition is abolished also revealed the role of this mark for the rapid control of many genes. In general terms, this work has revealed both dynamic chromatin changes that result in major genome reorganizations at the cytological scale and fine variations of histone modifications on euchromatic genes, as well as the role of DET1 in regulating these changes. My study paves the way for further studies on the connections between these two scales of dynamics and their function in the nuclear localization and changes in expression of genes in the overall context of light signaling.


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