Molecular and functional characterization of set domain proteins in the epigenetic regulation of Arabidopsis thaliana development

par Sarfraz Shafiq

Thèse de doctorat en Aspects moléculaires et cellulaires de la biologie

Sous la direction de Wen-Hui Shen.

Le jury était composé de Léon Otten.

Les rapporteurs étaient André Steinmetz, Klaus D. Grasser.

  • Titre traduit

    Caractérisation moléculaire et fonctionnelle des protéines à domaine SET dans la régulation épigénétique du développement d' Arabidopsis thaliana


  • Résumé

    Alors que les méthylations sur différents résidus lysine des histones (par exemple H3K4, H3K27 et H3K36) sont bien connues pour exercer diverses fonctions biologiques, leurs interactions et/ou leur mode d’actions demeurent encore peu caractérisés. Par la génétique et des outils de biologie moléculaire, nous visons à étudier les rôles et interconnections des méthylations des H3K4, H3K27 et H3K36 dans la transcription, la croissance de la plante et la régulation du développement chez Arabidopsis thaliana.La première partie de ma thèse est centrée sur les rôles et interconnections des méthylations de H3K4 and K36.ATX1 et ATX2 sont des méthyltransférases de H3K4 alors que SDG8 est une méthyltransférase de H3K36.L’analyse de doubles mutants a révélé que sdg8 est dominant sur atx1 et atx2 pour le temps de floraison et larégulation de la prolifération cellulaire. La triméthylation de H3K36 (H3K36me3) est partiellement dépendante de H3K4me3 mais non-réciproquement. SDG25 a une double activité H3K4me3 et H3K36me3 et les déméthylases de H3K4, LDL1 et LDL2, sont des antagonistes de l’activité de SDG25. Les triples mutants sdg25ldl1ldl2 fleurissent plus tôt que la lignée sauvage, mais plus tard que sdg25 et montrent une augmentation de taille de cellule similaire à celle des mutants ldl1ldl2.La deuxième partie de ma thèse se concentre sur les rôles et interconnections entre les méthylations H3K4/K36 et H3K27. CLF catalyse les H3K27me3 au sein du complexe PRC2. Les doubles mutants sdg8clf etsdg25clf fleurissent plus tôt que les mutants simples et montrent un nombre réduit de cellules par feuille. Unniveau plus élevé de H3K4me3 et dans une moindre mesure de H3K36me3 a été observé dans le cas de déposition de H3K27me3 réduite, et de la même façon, une déposition de H3K4me3/H3K36me3 réduite augmente aussi le niveau de H3K27me3. Distinct du rôle antagoniste rapporté auparavant entre CLF et ATX1,CLF n’a pas montré d’antagonisme avec SDG25 ou SDG8.La dernière partie de ma thèse est centrée sur le mécanisme de SDG26 dans la régulation du temps de floraison. Mes résultats ont montré que SDG26 est une méthyltransférase H3K4 et/ou H3K36 spécifique de la chromatine de SOC1, un intégrateur de la floraison actif. De manière similaire à SDG25 et SDG8, SDG26 ne travaillait pas de façon antagoniste avec CLF. L’analyse de doubles mutants a révélé que sdg26 domine atx2mais sdg25, atx1 and clf est dominant sur sdg26 pours le temps de floraison et la régulation de la prolifération cellulaire. Les triples mutants sdg26ldl1ldl2 fleurissaient encore plus tard que les mutants sdg26 et ldl1ldl2 et a révélé que sdg26 est dominant sur ldl1ldl2 lors de la régulation de la prolifération cellulaire. Les analysesd’interaction avec les autres composants de PRC2, VEL1 et VRN5, ont révélé que sdg26vel1 et sdg26vrn5 fleurissaient encore plus tard que les mutants simples dans des conditions de jours courts et de vernalisation. Ensemble, mes résultats révèlent des couches additionnelles de complexité de redondance et de diversification de fonctions entre et au sein des méthyltransférases et déméthylases, pour la transcription, le temps de floraison et la régulation de la prolifération cellulaire chez Arabidopsis.


  • Résumé

    While methylations at different lysine residues of histones (e.g. H3K4, H3K27 and H3K36) are well known to exert diverse biological functions, their interactions and/or ensemble-actions remain poorly characterized so far.Using genetic and molecular biology tools, we aim to investigate roles and ‘crosstalks’ of H3K4, H3K27 andH3K36 methylations in transcription and plant growth and development regulation in Arabidopsis thaliana.The first part of my thesis focuses on the roles and crosstalks between H3K4 and K36 methylations.ATX1 and ATX2 are H3K4 methyltransferases while SDG8 is a H3K36 methyltransferase. Double mutant analysis revealed that sdg8 dominates over atx1 and atx2 in flowering time and cell proliferation regulation.H3K36 trimethylation (H3K36me3) is partially dependent on H3K4me3 but not vice versa. SDG25 has a dualH3K4me3 and H3K36me3 activity and the H3K4-demethylases LDL1 and LDL2 antagonize SDG25 activity.The sdg25ldl1ldl2 triple mutants flowered earlier than wild type but later than sdg25 and showed an increased cell size similarly to ldl1ldl2 mutantsThe second part of my thesis focuses on the roles and crosstalks between H3K4/K36 and H3K27methylations. CLF within PRC2 complex catalyzes H3K27me3. The sdg8clf and sdg25clf double mutants flowered earlier than the single mutants and showed a reduced number of cells per leaf. An increased level ofH3K4me3 and to a less extent H3K36me3 was observed upon impaired H3K27me3 deposition, and similarly impaired H3K4me3/H3K36me3 deposition also enhanced H3K27me3 level. Distinct from previously reported antagonistic role between CLF and ATX1, CLF did not show antagonism with SDG25 or SDG8.The last part of my thesis focuses on mechanism of SDG26 in flowering time regulation. My result showed that SDG26 is a H3K4 and/or H3K36 methyltransferase specific at chromatin of SOC1, an activeflowering integrator. Similarly to SDG25 and SDG8, SDG26 did not work antagonistically with CLF. Double mutant analysis revealed that sdg26 dominates over atx2 while sdg25, atx1 and clf dominate over sdg26 inflowering time and cell proliferation regulation. The sdg26ldl1ldl2 triple mutants flowered even later than thesdg26 and ldl1ldl2 mutants and showed that sdg26 dominates over ldl1ldl2 in cell proliferation regulation.Interaction analysis with the other PRC2 components VEL1 and VRN5 revealed that sdg26vel1 and sdg26vrn5flowered even later than the single mutants under short day and vernalization conditions.Together, my study revealed additional layers of complexity of overlap and non-overlap functions between and within methyltransferases and demethylases in transcription, flowering time and cell proliferation regulation in Arabidopsis.

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