Mécanismes de régulation épigénétique chez l'insecte holocentrique ravageur de culture Spodoptera frugiperd, Lépidoptera, Noctuidae

par Sandra Nhim

Thèse de doctorat en Mécanismes des interactions parasitaires pathogènes et symbiotiques

Sous la direction de Emmanuelle D'Alençon et de Nicolas Nègre.


  • Résumé

    Chez les eucaryotes, l’ADN est empaqueté dans des complexes protéiques d’histones nommés nucléosomes qui assurent sa conformation. Cet arrangement est hétérogène à travers le génome et peut être dynamiquement modifié. La régulation de l’architecture chromatinienne joue un rôle essentiel dans la stabilité des génomes ainsi que la dynamique transcriptionnelle. Certaines régions qualifiées d’ ‘’heterochromatine constitutive’’ sont toutefois connues pour être maintenues à l’état condensé. Régionalisées aux extrémités et centres des chromosomes, l’hétérochromatine constitutive participe des fonctions télomériques et centromériques.Spodoptera frugiperda (S.fru, Lépidoptère, Noctuelle) est un ravageur de culture endémique du continent américain, récemment invasif dans le continent africain. Comme tous les Lépidoptères, S.fru est une espèce holocentrique dont le centromère est réparti le long des chromosomes et non restreint en un point unique. Cette disposition interroge sur l’établissement, la distribution ainsi que la fonction conservée de l’HC puisque cette dernière est principalement décrite pour être majoritairement localisée dans de larges régions péricentriques. Comprendre l’architecture chromatinienne chez S.fru peut avoir un intérêt en lutte biologique mais également permettre d’approfondir les connaissances en épigénétique chez un organisme non-modèle.Dans le cadre de la thèse, nous nous sommes demandés si la diméthylation de la lysine 9 de l’histone 3 (H3K9me2), marqueur de l’hétérochromatine constitutive, possédait un rôle conservé chez S.fru. Pour ce faire, nous avons comparé des données de ChIP-seq d’H3K9me2 sur cellules et larves entières après avoir annoté les gènes et l’ensemble des éléments répétés du génome, susceptibles d’être enrichis par cette marque. Parallèlement, des échantillons d’ARN-seq ont été étudiés afin de questionner le statut répressif de l’hétérochromatine constitutive. Nos résultats suggèrent un invariable maintien d’H3K9me2 dans les régions (sub)télomériques transcriptionnellement inactives ainsi qu’une forte association aux locus répétés d'ADN ribosomal (rDNA). Ces séquences ne constituent toutefois qu’une minorité des régions enrichies, le reste étant retrouvé dans des séquences répétées ainsi que dans le corps des gènes, indifféremment de leur état transcriptionnel. La persistante association d’H3K9me2 aux télomères et rDNA présagerait d’un maintien de la marque à proximité des centromères dont nous proposons un modèle d’établissement.La disposition de l’hétérochromatine constitutive questionne celle des régions euchromatiniennes, pauvres en nucléosomes, transcriptionnellement active et dynamiquement modifiées au cours du développement, du cycle cellulaire et des conditions environnementales. Afin de tester l’antagonisme de ces conformations, nous avons respectivement étudié la répartition des zones ouvertes et fermées du génome de la larve au stade L4 par approches de FAIRE-seq et de MAINE-seq. Ces structures ont été décrites dans la littérature pour être enrichies par de spécifiques modifications d’histones. Ainsi nous avons mis au point le protocole de native ChIP-seq d’H3K4me3 (marque active) et H3K9me2, H3K9me3, H3K27me3 (marques répressives). L’analyse en cours de l’ensemble de ces données de séquençages permettra d’avoir une vue intégrée de l’architecture chromatinienne au stade ravageur.

  • Titre traduit

    Epigenetic regulation mecanisms in holocentric pest crop Spdoptera frugiperda, Lepidoptera, Noctuidae


  • Résumé

    In eukaryotes, DNA is arranged in histones proteins complexes called nucleosomes that shape its conformation. This arrangement is heterogeneous across genomes and can be dynamically modified. Regulation of chromatin architecture plays an essential role in genome stability and transcription dynamics. Some regions named ‘’constitutive heterochromatin’’ are nonetheless known to remain highly condensed, regardless of conditions. Regionalized at extremities and chromosomes centers, constitutive heterochromatin contributes to telomeric and centromeric functions.Spodoptera frugiperda (S.fru, Lepidoptera, Noctuidae) is major crop pest in the Americas that recently invaded Africa. Like all Lepidopteran, S.fru is holocentric which means that its centromere is spread along chromosome and not restricted to a uniq point. This disposition question about establishment, distribution but also conserved function of constitutive heterochromatin since its usually and mainly localized in large pericentric regions.Deciphering chromatinian architecture in S.fru can be of interest in biological control but also allow to deepen epigenetic knowledge in a non-model organism.During my phD, we questionned the role of histone 3 lysine 9 demethylated (H3K9me2) in S.fru, a histone modification known in other yet described organisms to be a constitutive constitutive heterochromatinian hallmark.We compared H3K9me2 ChIP-seq data on cells and larvae after overall genomic functional annotation, potentially enriched for this mark. In parallel, RNA-seq samples were analyzed to question the putative repressive status of constitutive heterochromatin.Our results suggest an invariant retention of H3K9me2 in (sub)telomeric regions transcriptionally inactive but also a strong association of this mark in repeated ribosomal DNA locus (rDNA).These sequences constitutes nonetheless a minority of enriched regions since most of them regionalize in repeated sequences like transposons and tandem array but also gene bodies, independently of their transcriptional states.Persistent H3K9me2 association to telomeres and rDNA could predict of the conserved expression of this mark near centromeres. Based on literature and bioinformatics analysis, we proposed a model for S.fru holocentromeres.Constitutive heterochromatin questions euchromatin arrangement, described to be nucleosome poor, transcriptionally active and dynamically modified across development, cell cycle and environmental conditions. In order to test these structural antagonisms, we respectively studied open and closed genome conformations by FAIRE-seq and MAINE in larvae. These structures are reported to be associated to specific histones marks. We developed a native ChIP-seq protocol on H3K4me3 (active mark) and H3K9me2, H3K9me3, H3K27me3 (repressives marks). Overall analysis of these NGS data would help to picture an integrative view of chromatin architecture during larval pest stage.

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