ULTRAPETALA1 interactions with chromatin modifiers and remodelers : Roles in Arabidopsis thaliana development | Interactions entre ULTRAPETALA1 et les modifieurs et remodeleurs chromatiniens : rôles dans le développement chez Arabidopsis thaliana

Inglés. During the development of multicellular organisms, switches in gene expression allow different cell types to emerge from a same undifferentiated cell. These switches involve protein complexes of the Polycomb (PcG) and Trithorax (TrxG) groups that modify the chromatin structure with repressive and activating effects, respectively.In the model plant Arabidopsis thaliana, CURLY LEAF (CLF) and SWINGER (SWN), two histone methyltransferases (HMT) of the Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2), repress gene expression via the deposition of a trimethyl mark on lysine 27 of histone H3 (H3K27me3). The histone demethylase (HDMT) RELATIVE OF FLOWERING6 (REF6) can counteract this repression by actively removing the H3K27me3 mark. The ATPase remodeler BRAHMA (BRM) can also counteract the PRC2-mediated repression, by displacing nucleosomes and opening the chromatin. All these chromatin effectors contribute to the regulation of many genes, each of them being specific of various contexts. The mechanisms that confer locus and spatial or temporal context specificity to the activity of CLF/SWN, REF6 and BRM are not fully elucidated, and the factors that allow the switch of genes from a repressed to an active state (and vice versa) are not known.The SAND domain protein ULTRAPETALA1 (ULT1) induces the switch of more than 900 target genes from a repressed to an active state, by counteracting the action of CLF, thereby reducing the level of H3K27me3 marks at their locus. These targets include the floral homeotic genes AGAMOUS (AG), APETALA3 (AP3) and SEPALLATA3 (SEP3), which ULT1 enables to be activated in appropriate floral tissues. Because ULT1 lacks enzymatic domains that could be responsible for a direct alteration of the chromatin structure, its mode of action could thus involve chromatin effectors.Therefore, the goal of my thesis was to investigate how ULT1 could contribute to the regulation of its target genes via an interaction with enzymes that add (HMTs) or remove (HDMTs) the H3K27me3 mark on one hand, and with the remodeler BRM on the other hand.First, I studied the genetic interaction between ULT1 and REF6, and demonstrated that ULT1 and REF6 act independently from one another on the de-repression of homeotic floral genes. I then studied in vivo the interaction between ULT1 and the two methyltransferases CLF and SWN. I demonstrated by yeast two-hybrid assay that the SAND and CW-like domains of ULT1 and the N-terminal domains of the catalytic domain of CLF and SWN were sufficient to allow the physical interaction between these partners. These results indicate that ULT1 could directly inhibit CLF/SWN activity rather than contributing to an active demethylation with REF6.Second, I investigated the molecular and genetic interactions between ULT1/2 and the remodelers BRM and its homolog SPLAYED (SYD). I could detect a physical interaction in vivo and I showed that the N-terminal parts of BRM and SYD catalytic domains were sufficient to mediate physical interaction with ULT1. A genetic analysis showed that the interaction between the ULT1/2 and BRM pathways is antagonistic regarding the regulation of flowering time and organ number within the three first floral whorls, while synergetic for the control of floral determinacy. Furthermore, ULT1 can still activate floral homeotic genes in a brm loss-of-function context, indicating that the ULT1 and ATPase remodeler pathways are independent in this process. Altogether, these results show that ULT1 and BRM interact via different modalities depending on the considered developmental process.

Francés. Au cours du développement des organismes multicellulaires, des processus de reprogrammation de l’expression génique permettent l’émergence de types cellulaires distincts à partir d’une même cellule indifférenciée. Ces reprogrammations géniques mettent en œuvre les complexes protéiques des groupes Polycomb (PcG) et Trithorax (TrxG), qui modifient la structure de la chromatine pour des effets respectivement répresseur et activateur.Chez la plante modèle Arabidopsis thaliana, les méthyltransférases d’histone (HMT) CURLY LEAF (CLF) et SWINGER (SWN) du Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2) répriment les gènes par le dépôt de la marque de triméthylation sur la Lysine 27 de l’histone H3 (H3K27me3). La déméthylase d’histone (HDMT) RELATIVE OF FLOWERING6 (REF6) peut contrecarrer cette répression par le retrait actif de la marque H3K27me3. Le remodeleur BRAHMA (BRM) peut également contrecarrer la répression induite par le complexe PRC2, par le déplacement des nucléosomes et l’ouverture de la chromatine. Chacun de ces effecteurs chromatiniens contribue à la régulation de nombreux gènes qui sont activés dans des contextes différents les uns des autres. Les mécanismes qui confèrent une spécificité de locus et de contexte spatial ou temporel à l’activité de CLF/SWN, REF6 et BRM ne sont pas pleinement élucidés, et les facteurs qui permettent la commutation des gènes d’un état réprimé vers actif et vice-versa ne sont pas connus.La protéine à domaine SAND ULTRAPETALA1 (ULT1) induit la sortie de plus de 900 gènes cibles d’un état réprimé en contrecarrant l’action de CLF, et réduisant ainsi le niveau des marques H3K27me3 à leur locus. Parmi ces cibles se trouvent les gènes homéotiques floraux AGAMOUS (AG), APETALA3 (AP3) et SEPALLATA3 (SEP3), dont ULT1 permet l’activation dans les tissus floraux appropriés. Parce qu’ULT1 ne présente pas de domaine enzymatique qui permettrait une modification directe de la structure de la chromatine, son mode d’action pourrait faire intervenir des facteurs chromatiniens.Le but de mes travaux de thèse a été d’élucider comment ULT1 pourrait participer à la régulation de gènes cibles en interagissant d’une part avec les enzymes qui déposent ou retirent la marque H3K27me3 et d’autre part avec le remodeleur BRM.Dans une première partie, je me suis intéressée aux interactions génétiques entre ULT1 et REF6, et j’ai pu montrer qu’ULT1 et REF6 avaient une action indépendante sur la dé-répression des gènes, incluant les facteurs homéotiques floraux. J’ai ensuite étudié in vivo l’interaction entre ULT1 et les deux méthyltransférases CLF et SWN. J’ai démontré par test double-hybride de levure que les domaines SAND et CW-like d’ULT1 et les domaines situés en N-terminal du domaine catalytique de CLF et SWN étaient suffisants pour permettre l’interaction physique entre ces partenaires. Ces résultats indiquent qu’ULT1 pourrait directement inhiber l’activité CLF/SWN, plutôt qu’induire une déméthylation active de la marque H3K27me3 de concert avec REF6.Dans une deuxième partie, je me suis intéressée aux interactions moléculaires et génétiques entre ULT1/2 et les remodeleurs BRM et son homologue SPLAYED (SYD). J’ai mis en évidence une interaction directe in vivo, et j’ai montré que les domaines situés en N-terminal du domaine catalytique de BRM et SYD étaient suffisants pour permettre l’interaction physique avec ULT1. Une analyse génétique a montré que l’interaction entre les voies ULT1/2 et BRM était antagoniste pour la régulation du temps de floraison et du nombre d’organes dans les trois premiers verticilles de la fleur, et synergique pour le contrôle du déterminisme floral. De plus, l’activation de gènes homéotiques floraux par ULT1 reste possible en l’absence de la fonction brm, ce qui indique que les voies ULT1 et remodeleur à ATPase sont indépendantes dans ce processus. L’ensemble de ces résultats montre qu’ULT1 et BRM interagissent selon des modalités différentes en fonction des processus développementaux considérés.