Organization, variability and epigenetic control of 5S rRNA genes in Arabidopsis thaliana

par Lauriane Simon

Thèse de doctorat en Physiologie et Génétique Moléculaires

Sous la direction de Aline Probst.

Soutenue le 19-12-2016

à Clermont-Ferrand 2 , dans le cadre de École doctorale des sciences de la vie, santé, agronomie, environnement (Clermont-Ferrand) , en partenariat avec Génétique, Reproduction et Développement (laboratoire) et de Génétique- Reproduction et Développement - Clermont Auvergne / GReD (laboratoire) .

Le président du jury était Chantal Vaury.

Le jury était composé de Aline Probst.

Les rapporteurs étaient Moussa Benhamed, Julio Saez-Vasquez.

  • Titre traduit

    Organisation, variabilité et contrôle épigénétique des gènes d'ARNr 5S chez Arabidopsis thaliana


  • Résumé

    L'ARNr 5S est une partie intégrante du ribosome indispensable pour la synthèse des protéines. Cette fonction essentielle nécessite une régulation fine de l'expression des ARNr 5S en fonction des exigences cellulaires. L'ARNr 5S est codé par des gènes organisés en répétitions en tandem principalement situés dans les régions péricentromériques des chromosomes 3, 4 et 5 dans le génome Col-0 d'Arabidopsis thaliana. L’étude approfondie de l’organisation, la dynamique et la régulation épigénétique des gènes d’ARNr 5S reste cependant difficile du fait de l’absence d’assemblage de ces régions hautement répétées dans la séquence du génome d’Arabidopsis disponible dans TAIR10.Dans cette thèse, nous apportons de nouvelles informations sur les gènes d'ARNr 5S chez Arabidopsis. Nous avons confirmé les signatures d'ADN spécifiques par séquençage haut débit, identifié des polymorphismes spécifiques des régions chromosomiques portant des ADNr 5S et ainsi défini de nouvelles séquences de référence. Nous avons également étudié le statut épigénétique des gènes ARNr 5S, montrant que ces gènes sont globalement enrichis en marques répressives. Les loci situés sur les chromosomes 4 et 5 présentent également des modifications post-traductionnelles d’histones et des variants d’histone particuliers et caractéristiques d’une activité de transcription. Nous avons aussi montré que les loci d'ADNr 5S sont très dynamiques au sein de l'espèce Arabidopsis avec des variations entre différent écotypes du nombre de copies de gènes d’ARNr 5S et de l’importance relative de chaque cluster. En utilisant l'écotype Ler et des mutants spécifiques, nous montrons que le locus du chromosome 5 est une source majeure de réarrangements chromosomiques qui affectent l'organisation de la chromatine dans le noyau. Enfin, nous suggérons que des variations de l’état chromatinien des gènes d'ARNr 5S peuvent conduire à une différence de transcription dans les différents écotypes.Cette étude permet d’établir un rôle de l'organisation de la chromatine dans la régulation transcriptionnelle et l'organisation des gènes d'ARNr 5S.


  • Résumé

    5S rRNA is an integral component of the ribosome and is essential for protein synthesis. 5S rRNA expression is therefore tightly regulated to suit the cellular requirements. 5S rRNA is encoded by gene arrays organized in tandem repeats mainly situated in the pericentromeric regions of chromosomes 3, 4 and 5 in the Arabidopsis thaliana Col-0 genome. Full genome assembly remains challenging in these highly repeated regions and impedes further investigation of their organization, dynamics and epigenetic regulation.In this thesis, we provide information on 5S rRNA genes in Arabidopsis thaliana. We confirmed specific DNA signatures by deep sequencing and define chromosome-specific polymorphisms and new reference sequences. We also studied the epigenetic status of the 5S rRNA genes showing that these genes are enriched in repressive marks whereas the loci on chromosome 4 and 5 also display peculiar histone modifications and variants characteristic of transcriptional activity. We report that 5S rDNA loci are highly dynamic within the Arabidopsis species with high level of variation in global copy number and cluster proportion between ecotypes. Using the Ler ecotype, in which reorganization events were recorded, and specific mutant backgrounds, we identified chromosome 5 rDNA locus as a major source of variation and observed altered chromatin organization in nuclear space as a consequence of 5S rDNA locus variation. Finally, we suggest that differences in chromatin states at the two main 5S rDNA loci can lead to differential usage of 5S rRNA genes indifferent ecotypes.The analysis provides evidence for a role of chromatin organization in transcriptional regulation and 5S rDNA organization.


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