Functional analysis of Arabidopsis chromatin modification and remodeling regulators (CHR5 and JMJ15) in gene expression
Caractérisation fonctionnelle de deux régulateurs de la chromatine, CHR5 et JMJ15, chez Arabidopsis thaliana
Résumé
Chromatin remodeling and histone modification play important roles in the establishment and dynamic regulation of gene expression states. However, little is known regarding to the regulatory mechanism of chromatin modification and remodeling that control gene expression involved in plant development and responses to environmental cues. My thesis work concerns functional analysis of an Arabidopsis Chromodomain/Helicase/DNA-binding 1 (CHD1) type chromatin remodeling gene known as CHR5 and a histone demethylase gene that specifically removes methyl groups from methylated histone H3 lysine 4 (H3K4me), called JMJ15 in regulating chromatin structure or in resetting chromatin modifications that control the expression of plant developmental and stress responsive genes. In the first part of the study we found that CHR5 expression is activated during embryogenesis and remained to be expressed in developing organs/tissues. Analysis of mutants revealed that loss-of-function of the genes led to decreased expression of key embryo maturation genes LEC1, ABI3 and FUS3 in developing seeds and reduced seed storage protein accumulation. Analysis of double mutants revealed an antagonistic function between CHR5 and PKL, a CHD3 gene, in embryo gene promoter activity and seed storage protein accumulation. CHR5 was directly associated with the promoters of ABI3 and FUS3 and chr5 mutations led to increased nucleosome occupancy near the transcriptional start site. The results suggest that CHR5 is involved in nucleosome occupancy to regulate embryo identity genes expression, which is counterbalanced by PKL during embryo development. The second part of this study showed that expression of JMJ15 was restricted to a few tissues during vegetative growth. The jmj15 gain-of-function mutations reduced the length of seedling hypocotyls and inflorescence stems with higher accumulation of lignin in the stem, while the loss-of-function mutants did not show any visible phenotype. The gain-of-function mutants enhanced salt tolerance, whereas the loss-of-function mutants were more sensitive to salt. Transcriptomic analysis revealed a much higher number of genes down-regulated in JMJ15 over-expression plants, which are highly enriched for H3K4me3 and H3K4me2. Among the down-regulated genes, many encode transcription regulators of stress responsive genes. The data suggest that increased JMJ15 levels may regulate the gene expression program that may coordinate plant growth restrains and enhances stress tolerance. Taken together, my thesis work brought a few new elements to the current understanding of chromatin regulators function in plant gene expression.
Le remodelage de la chromatine et la modification des histones jouent des rôles très importants dans l’établissement et la reprogrammation de l’état de l’expression génique. Il reste largement inconnu concernant les mécanismes de la régulation de ces processus chromatiniens dans le contrôle de l’expression génique impliquée dans le développement de la plante et son adaptation à l’environnement. Mon sujet de thèse se focalise sur l’analyse fonctionnelle d’un facteur de remodelage de la chromatine de type Chromodomain/Hélicase/DNA-binding 1 (CHD1) d’Arabidopsis, appelé CHR5 et une histone démethylase qui est spécifiquement impliquée dans la démethylation de l’histone H3 lysine 4 (H3K4), appelée JMJ15. Dans la première partie de cette étude, nous avons montré que le gène CHR5 est activé au cours de l’embryogénèse et que son expression se maintient élevé dans les tissues/organes en développement. L’analyse de mutants révèle que la perte de fonction de ce gène fait réprimer l’expression de gènes régulateurs de la maturation de l’embryon tels que LEC1, ABI3 et FUS3 pendant le développement des graines, et fait baisser l’accumulation des protéines de réserve. L’analyse de double mutants a permis de démontrer une fonction antagoniste entre CHR5 et PKL, une protéine du groupe « CHD3 », dans l’activité du promoteur de gènes régulateurs du développement de l’embryon et l’accumulation de réserve de graine. Nous avons montré que la protéine CHR5 s’associe directement avec les promoteurs d’ABI3 et FUS3 et que la mutation du gène CHR5 conduit à l’augmentation de présence de nucléosome dans la région du départ de transcription. Ces résultats suggèrent que CHR5 est impliquée dans le positionnement de nucléosome pour stimuler l’expression de gènes de la maturation de l’embryon, ce qui est contrebalancé par l’action de PKL au cours du développement de l’embryon. La deuxième partie de cette étude a permis de montrer que l’expression du gène de l’histone démethylase JMJ15 manifeste une forte spécificité tissulaire. L’analyse de mutants du gène a permis de l’identification de 2 allèles de gain de fonction (avec surexpression du gène), et un allèle de perte de fonction. La surexpression du gène réduit la croissance d’hypocotyle et de tige de la plante avec accumulation de lignine dans la tige, mais le perte de fonction du gène ne produise pas de phénotype apparent. Par ailleurs, la surexpression du gène renforce la tolérance de la plante au stress salin, alors la perte de fonction du gène rend la plante plus sensible. L’analyse du transcriptome a révélé beaucoup plus de gènes réprimés qu’activés par la surexpression du gène JMJ15. Ces gènes réprimés sont préférentiellement marqué la H3K4me2 ou H3K4me3, parmi lesquels beaucoup codent de facteurs de transcription. Ces données suggèrent que l’induction de JMJ15 pourrait réguler le programme de l’expression génique qui coordonne la restriction de la croissance de la plante et la tolérance au stress. Ces travaux de thèse a permis ‘identifier quelques nouveaux éléments dans la compréhension de la fonction de régulateurs chromatiniens dans l’expression génique de la plante.
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