Étude de l'accumulation des transcrits et de la marque chromatinienne H3K27me3 en lien avec l'activité métabolique au cours de la photomorphogenèse chez Arabidopsis thaliana

Transcriptome augmentation, Polycomb-mediated chromatin dynamics and their links to metabolism during Arabidopsis thaliana photomorphogenesis

• Auteur / Autrice : Geoffrey Schivre
• Direction : Fredy Barneche, Clara Richet-Bourbousse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences végétales
• Date : Soutenance le 26/04/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences du végétal : du gène à l'écosystème (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biologie de l'École normale supérieure (Paris ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Biosphera (2020-….)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Laloi, François Roudier, Livia Merendino, Christian Meyer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Laloi, François Roudier
• DOI : 10.70675/3907fd10zb2edz45dbz96e3z46bcb2859116

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transcription génétique

Chromatine

Photomorphogenèse

Arabidopsis thaliana

Sérine-thréonine kinases TOR

Complexe répresseur Polycomb-2

Mots clés libres

Transcription

Tor

Chromatine

Prc2

Photomorphogenèse

Arabidopsis thaliana

Transcriptome size

Chromatin

Tor

Prc2

Arabidopsis thaliana

Photomorphogenesis

Résumé

La lumière permet aux plantes de métaboliser le carbone atmosphérique grâce à la photosynthèse, constituant ainsi leur source d'énergie. Par ailleurs, les différentes propriétés de la lumière constituent une source d'informations essentielles sur leur environnement perçues par de multiples capteurs de lumière, les photorécepteurs, déclenchant des réponses adaptatives spécifiques. Parmi elles, l'une des adaptations développementales les plus spectaculaires des plantes, appelée photomorphogenèse, se produit lorsqu'une jeune plantule en cours de germination est exposée à la lumière pour la première fois. Les plantules germant sous terre, à l'abri de la lumière, suivent un développement étiolé ou skotomorphogénique, au cours duquel l'allongement rapide de l'hypocotyle facilite l'émergence de la plante à la surface, tandis que la maturation des cotylédons et la mise en place de la photosynthèse sont inhibés. La croissance skotomorphogénique repose donc entièrement sur les réserves métaboliques principalement stockées dans les cotylédons. Lorsque la surface du sol est atteinte, la détection de la lumière par les photorécepteurs déclenche l'expansion, sans division cellulaire, des cotylédons et la biogenèse des chloroplastes permettant l'acquisition de la photo-autotrophie. Au niveau moléculaire, le dé-étiolement des cotylédons est associé à une spécialisation du transcriptome et à une intensification de l'activité de l'ARN polymérase II (ARN Pol II). A l'échelle cytologique, de profonds réarrangements de la chromatine conduisent à l'élargissement du noyau et à la condensation des régions péricentromériques au sein de foyers hétérochromatiniens. Considérant qu'une grande partie de ces contrôles métaboliques, cellulaires, moléculaires et cytologiques sont réalisés de manière synchrone au cours de la transition, la photomorphogenèse d'A. thaliana constitue un modèle de choix pour caractériser les interactions entre la signalisation lumière, la régulation des gènes et les dynamiques chromatiniennes avec le statut énergétique de la plante. Au cours de ma thèse, j'ai développé une analyse de données de séquençage ARN normalisées grâce à une référence exogène pour revisiter les connaissances actuelles sur les changements transcriptomiques au vu de l'augmentation globale de l'activité de l'ARN Pol II. Ceci a permis d'identifier un doublement de l'abondance des transcrits pendant la photomorphogenèse des cotylédons qui résulte très probablement de l'augmentation de l'activité de l'ARN Pol II. J'ai ensuite exploré le rôle joué par le senseur métabolique Target Of Rapamycin (TOR) dans la régulation du régime transcriptionnel ainsi que dans la composition et l'organisation de la chromatine lors du dé-étiolement des cotylédons. Cette seconde partie de mon étude apporte un nouvel éclairage sur les liens fonctionnels entre la voie TOR et l'homéostasie d'une marque d'histone, la triméthylation de la lysine 27 de l'histone H3 (H3K27me3), catalysée par le complexe Polycomb Repressive Complexe 2 (PRC2). En particulier, elle révèle que H3K27me3 est moins abondant dans la chromatine des cotylédons étiolés que dans celle des cotylédons photomorphogéniques, un effet général qui s'avère sensible au sucre et à la signalisation TOR. Par conséquent, ces travaux mettent en évidence des rôles inattendus de la signalisation TOR et de la marque H3K27me3 dans la régulation du régime transcriptionnel général et ouvrent de nouvelles perspectives sur la régulation transcriptionnelle régie par TOR. De futures études visant à décrypter le rôle de l'homéostasie de H3K27me3, en particulier sur les gènes de réponse à la lumière, devraient permettre de mieux comprendre comment la signalisation métabolique interagit avec les dynamiques de l'épigénome et la répression transcriptionnelle régies par PRC2 avec des implications au-delà de la photomorphogenèse des plantes.

Light fuels plant photosynthesis providing the energy source for growth. Light intensity and quality also convey essential information on the plant's immediate surroundings, which are integrated through multiple light sensors, the photoreceptors, enabling developmental and physiological adaptations. The photomorphogenic transition, or de-etiolation, occurs when a young germinating plantlet is exposed to light for the first time, and is one of the most spectacular plant developmental adaptations to light. Seedlings germinating underground, protected from light, undergo an etiolated development, or skotomorphogenesis, during which rapid hypocotyl elongation facilitates plant drilling through the soil, while cotyledon maturation is arrested and the plantlet remains non-photosynthetic. In the absence of photosynthesis, skotomorphogenic growth relies entirely on the plant metabolic reserves, predominantly stored in cotyledons. Upon reaching the soil surface, photoreceptor light sensing triggers the expansion and greening of cotyledons, independently from cell divisions. Inducing chloroplast biogenesis and the acquisition of photosynthesis, this developmental switch marks the transition toward photo-autotrophy. At the molecular scale, cotyledon de-etiolation associates with a specialization of the transcriptome and an intensification of RNA polymerase II (RNA Pol II) activity. At the cytological scale, chromatin rearrangements lead to nucleus enlargement and the condensation of pericentromeric regions in conspicuous heterochromatic foci. Considering that much of these metabolic, cellular, molecular and cytological controls are synchronously achieved during the transition, A. thaliana photomorphogenesis is a model of choice to characterize the interplays between light signaling, gene regulation and chromatin dynamics as well as their link to the plant energetic status. During my thesis, I first contributed to develop an RNA-seq normalization methodology to revisit transcriptome changes in light of the global increase in RNA Pol II activity. This identified a 2-fold increase in transcript abundance during cotyledon photomorphogenesis, which most likely results from the increase in RNA Pol II activity. I further explored the role played by the conserved metabolic sensor Target Of Rapamycin (TOR) in defining the transcriptional regime along with chromatin composition and organization during cotyledon photomorphogenesis. This notably shed a new light on the functional links between the TOR pathway and the homeostasis of a specific histone mark, trimethylation of histone H3 at lysine 27 (H3K27me3), mediated by Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2). More precisely, this study revealed that H3K27me3 is less abundant at chromatin in etiolated cotyledons as compared to photomorphogenic ones, a global effect that was further shown here to be sensitive to sugar and TOR signaling. Hence, this work points towards unexpected roles of TOR signaling and the PRC2-regulated mark H3K27me3 in the global regulation of transcription and opens new perspectives on TOR-mediated gene regulation. Future studies aimed at deciphering the role of H3K27me3 homeostasis, especially at specific genes induced by light, should provide new insight on how metabolic signaling interplays with Polycomb-mediated chromatin dynamics and transcription with implications beyond plant photomorphogenesis.