Chromatin switches in plants: Molecular mechanisms of the ULTRAPETALA1 protein | Commutateurs de chromatine chez les plantes : Mécanismes moléculaires de la protéine ULTRAPETALA1

英语. Although all cells contain exactly the same genetic information, they acquire different cellular fates. Cell differentiation refers to the passage of a cell from an undifferentiated stem state to a mature state. Differentiation is a morphogenetic process: it is accompanied by phenotypic changes on a cellular scale, resulting from profound modifications in gene expression. Activation and repression of gene expression result from the combined activity of transcription factors and chromatin regulatory complexes. Among the key players involved in these regulations, two groups of proteins function antagonistically: the Polycomb group (PcG) and the trithorax group (trxG). The Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2) plays an essential role in maintaining thousands of genes in a repressed state, by depositing methylation marks on Histone 3 lysine 27 (H3K27me3). Conversely, trithorax group proteins counteract Polycomb group-mediated repression on common gene targets through various mechanisms. While PcG and trxG group proteins are increasingly well identified and characterized, the molecular mechanisms by which a gene switches its transcriptional status are still poorly understood. The overall aim of my PhD is to understand how chromatin and transcription dynamics interact and are orchestrated, by deciphering the dialogue between chromatin components (DNA and histones) and chromatin regulators. I am particularly focused on the study of the key plant-specific trithorax factor ULTRAPETALA1 (ULT1), which enables the transition of target genes from a repressed to an active state (and vice versa), thus inducing essential developmental transitions such as flowering and cell differentiation during floral organogenesis. Using an integrated genetics and biochemistry approach, I show that ULT1 has a multi-dimensional effect on chromatin regulation. In the first chapter of my PhD, I assess ULT1 global and genome-wide effect on epigenetic marks. I report that ULT1 acts as a PRC2 cofactor capable of directly enhancing the catalytic activity of PRC2 on chromatin. I also show that ULT1 plays a role in the dynamics of DNA methylation in Arabidopsis. Finally, I describe a straightforward method for purifying histones for proteomic analysis by mass spectrometry, which I aimed to use in order to answer the effect of ULT1 on histone marks. In the second chapter, I address how ULT1 reaches its targets at the chromatin. I show that ULT1 acts through affinities with post-translational modifications of histones, DNA and RNA. Through its positively charged surface, ULT1 can interact with DNA without apparent DNA motif specificity. ULT1 can also interact with a long non-coding RNA produced from one of its target genes in a PRC2-dependent manner, to control floral meristem termination. Finally, I show that ULT1 regulates flowering time through an H3K36me3-dependent mechanism, potentially by interacting directly with histone marks. Altogether, the results acquired in the course of my PhD indicate that ULT1 may constitute a scaffold protein capable of switching the chromatin state and transcriptional status of corresponding loci from off to on, and vice versa. These results thus reveal a novel chromatin regulatory function and uncover new avenues for understanding trxG/PcG interplay in eukaryotes.

法语. Bien que toutes les cellules dun organisme pluricellulaire contiennent exactement la même information génétique, elles acquièrent des destins cellulaires différents. La différenciation cellulaire désigne le passage d'une cellule d'un état souche à un état différencié. La différenciation est un processus morphogénétique : elle s'accompagne de changements phénotypiques au niveau cellulaire, résultant de profondes modifications de l'expression des gènes. L'activation et la répression de l'expression des gènes découlent de l'activité combinée de facteurs de transcription et de complexes régulateurs de la chromatine. Parmi les acteurs clés impliqués dans ces régulations, deux groupes de protéines fonctionnent de manière antagoniste : le groupe Polycomb (PcG) et le groupe trithorax (trxG). Le complexe répressif de Polycomb 2 (PRC2) joue un rôle essentiel dans le maintien de milliers de gènes dans un état réprimé, en déposant des marques de méthylation sur la lysine 27 de l'histone 3 (H3K27me3) au sein des nucléosomes. À l'inverse, les protéines du groupe trithorax antagonisent la répression médiée par le groupe Polycomb sur des cibles génétiques communes par le biais de divers mécanismes. Alors que les protéines des groupes PcG et trxG sont de mieux en mieux identifiées et caractérisées, les mécanismes moléculaires par lesquels un gène change d'état transcriptionnel sont encore mal compris. L'objectif général de ma thèse de doctorat est de comprendre comment la chromatine et la dynamique de la transcription interagissent et sont orchestrées, en déchiffrant le dialogue entre les principaux composants de la chromatine (ADN et histones), Polycomb et trithorax. Je me concentre particulièrement sur l'étude du facteur trithorax ULTRAPETALA1 (ULT1), qui permet la transition des gènes cibles d'un état réprimé à un état actif (et vice versa), induisant ainsi des transitions développementales essentielles telles que la floraison et la différenciation cellulaire au cours de l'organogenèse florale. En utilisant une approche intégrée de génétique et de biochimie, je montre quULT1 a un effet multidimensionnel sur la régulation de la chromatine. Dans le premier chapitre de ma thèse, j'évalue l'effet global et génomique dULT1 sur les marques épigénétiques. Je rapporte quULT1 agit comme un cofacteur de PRC2 capable de renforcer directement son activité catalytique sur la chromatine. Je montre également quULT1 joue un rôle dans la dynamique de la méthylation de l'ADN chez Arabidopsis. Enfin, je décris une méthode simple pour purifier les histones à partir de noyaux de plantes en vue d'une analyse protéomique par spectrométrie de masse, que j'ai voulu utiliser pour répondre à l'effet dULT1 sur les marques d'histones. Dans le deuxième chapitre, je traite de la manière dont ULT1 atteint ses cibles dans la chromatine. Je montre quil agit par affinité avec l'ADN, l'ARN et des modifications post-traductionnelles sur les histones. Grâce à sa surface chargée positivement, ULT1 peut interagir avec l'ADN sans spécificité apparente de motif nucléotidique. ULT1 peut également interagir de manière dépendante de PRC2 avec un long ARN non codant produit à partir de l'un de ses gènes cibles, afin de contrôler la terminaison du méristème floral. Enfin, je montre qu'ULT1 régule le temps de floraison par un mécanisme dépendant de la marque activatrice H3K36me3, potentiellement en interagissant directement avec les marques d'histones. En conclusion, les résultats acquis au cours de ma thèse indiquent quULT1 peut constituer une protéine agissant comme une plateforme capable de faire changer l'état chromatinien et le statut transcriptionnel des loci cibles de l'état actif à l'état réprimé (et vice-versa). Ces résultats révèlent donc une nouvelle fonction de régulation de la chromatine et ouvrent de nouvelles voies pour comprendre l'interaction trxG/PcG chez les eucaryotes.