Functional analysis of active DNA demethylation in tomato

par Ruie Liu

Thèse de doctorat en Biologie végétale

Sous la direction de Philippe Gallusci.

Soutenue le 29-11-2016

à Bordeaux , dans le cadre de École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Bordeaux) , en partenariat avec Biologie du fruit et pathologie (laboratoire) .

Le président du jury était Serge Delrot.

Le jury était composé de Rossitza Atanassova, Mark A. Hooks.

Les rapporteurs étaient Étienne Bucher, Mohamed Zouine.

  • Titre traduit

    Analyse fonctionnelle de la déméthylation d'ADN actif en tomate


  • Résumé

    La méthylation de l'ADN génomique est l'un des principaux mécanismes épigénétiques qui conduisent à des changements stables et héréditaires de l'expression des gènes sans que cela s’accompagne de la modification de la séquence d'ADN sous-jacente. Elle fait référence à l'addition d'un groupement méthyl sur le carbone 5 des cytosines (5meC). Ces dernières années, l’étude des mécanismes régulant la mise en place et le maintien de de cette méthylation est devenu un thème de recherche importante, en raison de son rôle essentiel dans la régulation du fonctionnement du génome des plantes et des mammifères. La distribution des 5meC sur l’ensemble du génome d’un organisme, encore appelé méthylome, peut être déterminée par différentes méthodes dont le séquençage de l’ADN génomique après traitement au bisulfite de sodium (WGBS ou méthyl C séq). Chez les végétaux, la méthylation de l’ADN peut se produire dans tous les contextes de séquence incluant les motifs symétriques CG et CHG et le contexte dissymétrique CHH (H pouvant être A, T ou C). En fonction du contexte de séquence, la méthylation des cytosines est mise en place et maintenue par trois types différents d'ADN méthyltransférase. [ ] Chez la plante-modèle Arabidopsis, la déméthylation active de l'ADN joue un rôle essentiel dans l'empreinte maternelle et la déméthylation l’ADN génomique lors du développement de l’albumen, mais elles ne semblent pas jouer de rôle essentiel pendant le développement de la plante chez cette espèce. La méthylation de l’ADN génomique peut aussi être perdue après la réplication de l’ADN, lorsque les mécanismes devant assurer son maintien ne sont pas actifs. On parle alors de déméthylation passive de l’ADN génomique. [ ] En conclusion, les observations présentées dans ce travail fournissent un cadre de travail permettant d’analyser les mécanismes moléculaires responsables de la déméthylation de l'ADN se produisant pendant la maturation des fruits de tomate. Ici, nous présentons une analyse complète des conséquences d’une réduction de l’expression du gène de SlDML2 sur le trancriptome et le métabolome des fruits, tout au long de leur développement. La corrélation entre les profils d’expression de gènes réalisées lors de ce travail ( variété WVA106) et les changements de la distribution de la méthylation de l’ADN telles que décrites chez la variété Ailsa craig montre qu’en plus d'un rôle général dans la régulation des gènes directement impliqués dans plusieurs voies métaboliques, plusieurs gènes codant pour des facteurs de transcription ainsi que des régulateurs épigénétiques sont également susceptibles d'être directement contrôlés par la méthylation de leur région promotrice. Cependant, nous ne pouvions pas établir une relation stricte entre la diminution de la méthylation de l'ADN et l'induction de l'expression des gènes, car de nombreux gènes présentant une diminution du niveau de méthylation de l'ADN dans leur région promotrice pendant la maturation des fruits sauvages correspondent à des gènes normalement réprimés. Ceci suggère que la méthylation active de l'ADN serait nécessaire à leur répression pendant le processus de maturation. Ainsi la relation entre la déméthylation de l'ADN et l'expression des gènes pourrait être plus complexe et ne se limiterait pas à la simple hypothèse de départ de ce travail: la déméthylation de l'ADN est nécessaire à l'expression de gènes induits au cours de la maturation. La déméthylation active de l'ADN pourrait également être nécessaire à la répression de gènes exprimés uniquement lors des phases précoces du développement des fruits et réprimés lors du murissement.


  • Résumé

    DNA methylation is one of the epigenetic mechanisms that lead to stable and heritable changes in gene expression without alteration on DNA sequence. DNA methylation refers to the addition of a methyl group to the fifth position of the cytosine ring. In recent years, DNA methylation is becoming more and more widely studied, because of its importance in mammals and plants. Methylated cytosines distribution can be determined across the genome at single-nucleotide resolution, that is methylome, using whole genome bisulfite-sequencing (BS-seq) approaches. [ ] Solanum lycopersicum (tomato) is an important agronomic crop and the main model to study the development and ripening process of climacteric fleshy fruit. Recent studies have now shown that the development and ripening of fleshy fruits relies on the establishment and maintenance of differential transcription patterns and complex regulatory pathways that involve both genetic and hormonal controls are operating at these developmental phases. However, it appears that a full understanding of fruit development and ripening will not be achieved based only on genetic models as suggested by recent studies, which showing an important decrease in global methylation level and demethylation at specific promoters during fruit ripening. [ ] In conclusion, the observations presented in this work provide a framework for analysis of the molecular mechanism of DNA demethylation during fruit ripening of tomato. Here, we provide a comprehensive analysis of the knock down SlDML2 on the trancriptome, metaoblom and DNA methylation in the promoter analysis. The large transcriptional reprogramming that occured in mutant during fruit ripeing was correlated alterations in DNA methylation. Here we highlight the central role of active DNA demethylation during tomato fruit ripening. In addition to a general role in the regulation of genes directly involved in several metabolic pathways, we also found that several transcription factors as well as epigenetic regulators are also likely under direct methylation control. However, we could not establish a district relationship between DNA reduction of DNA methylation and induction of gene expression, as not all DEGs containing a type-a DMRs (decreased DNA methylation during fruit ripening) do not correspond to genes normally induced in WT and repressed in transgenic plants. Some were corresponding to an opposite situation and in a few cases more complex methylation pattern (several DMRs) were also found. Indeed these conclusions are based on methylation analysis obtained in another variety. They might however reflect the situation of WVA106 fruits, although some variations are expectable when the methylome of DML RNAi fruits will be analyzed. Hence the relationship between DNA demethylation and gene expression might be more complex than expected, and not limited to the starting hypothesis of this work: DNA demethylation is an absolute requirement for the expression of critical ripening induced genes. This is indeed clearly in this study, but the analysis presented here also suggest that DNA demethylation might also be necessary for the repression of several genes as well. In addition, from the rencent study in Arabidopsis, ROS1 were found preferentially targets transposable elements (TEs) which are closer to protein coding genes and intergenic regions, which suggesting that ROS1 may prevent DNA methylation spreading from TEs to nearby genes. While in tomato, as our analysis, we found the methylation level of promoter of a number of genes was altered during fruit ripening, therefore, through methylome analysis, we will also get the preference of DNA methylation on TE, this analysis will give us idea that demethylation in fleshy fruit may has other distinct function as it is in Arabidopsis.


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