Epigenetic regulations of the production of mycotoxins by Fusarium graminearum
Régulation épigénétique de la production de mycotoxines chez Fusarium graminearum
Résumé
Contamination of food with mycotoxins is a significant risk to human and animal health. Reports from the European Food Safety Authority indicate that nearly half of the food derived from cereals and unprocessed grains collected between 2007 and 2012 in 21 European countries were contaminated with Type B trichothecenes, or TCTB, and especially deoxynivalenol, or DON. These mycotoxins are produced by fungal phytopathogens on growing kernels, before harvest. On account of the global climate change, this situation may become increasingly serious. Therefore, preventing the production of mycotoxins is a task which brooks no delay. In Europe, DON is predominantly produced by Fusarium graminearum. Even though the sequential steps of the TCTB biosynthetic pathway are fairly well described, the molecular events involved in regulating this pathway are complex and remain, so far, widely misunderstood.Recent studies highlighted post-translational modifications of canonical histones as well as their variants as critical players in the regulation of mycotoxin and other secondary metabolite biosyntheses in filamentous fungi, by altering chromatin structure. In F. graminearum, it was shown that the histone deacetylase HDF1 could be involved in the activation of DON production. In contrast, H3K27me3 histone mark represses 14 % of its genome, including genes involved in secondary metabolic pathways. Histone variant H2A.Z is ubiquitous in eukaryotes and is involved in a diverse range of biological processes, including genome stability, DNA repair, transcriptional regulation and telomere silencing. However, the underlying mechanisms of these functions remain unclear. In some species, the function of H2A.Z appears to be essential. Up to now, the only one study targeted directly on the function of H2A.Z in filamentous fungi was carried out on Neurospora crassa, and identifying a role in oxidative stress response.Here, we hypothesized that H2A.Z may be involved in important biological processes of F. graminearum including those involved in the production of secondary metabolism. Therefore, this project aims to characterize the roles played by the histone variant H2A.Z in controlling development, metabolism and virulence in F. graminearum.Using a reverse genetics approach, we created six H2A.Z deleted mutants in three different F. graminearum strains. All mutants exhibit deficiency in sporulation, germination, radial growth and DON production; however, intensities in the observed effects depend on the considered genetic background. Additionally, adding back wild-type H2A.Z could not rescue mutant phenotypes. Whole-genome sequencing showed that, although H2A.Z has been totally removed from the genome, compensatory mutations occur at other sites in each mutant regardless of the genetic background, in genes involved in chromatin remodeling. Strikingly, one extra mutation was detected in the H2A.Z add-back mutants. H2A.Z overexpressed mutants have also been constructed, but no significant difference in phenotype can be observed with wild type. Considering our results as a whole, we draw the conclusion that H2A.Z is essential in F. graminearum. It is the occurrence of compensatory mutations that rescued part of the lethality caused by H2A.Z deletion. We hypothesize that profound reorganizations of gene networks allow such plasticity, with certain consequences in terms of evolution and adaptation.
La contamination des aliments par les mycotoxines représente un risque potentiel pour la santé humaine et animale. Des rapports de l'Autorité européenne de sécurité des aliments, l’EFSA, indiquent que près de la moitié des aliments dérivés des céréales et de céréales non transformées collectées entre 2007 et 2012 dans 21 pays européens étaient contaminées par des trichothécènes de type B, ou TCTB, et en particulier du déoxynivalénol, ou DON. Ces mycotoxines sont produites par des champignons phytopathogènes sur les grains en cours de remplissage, avant la récolte. Dans un contexte de changement climatique, cette situation pourrait s’aggraver. Ainsi, maitriser les contaminations en mycotoxines est une tâche urgente qui ne peut être repoussée. En Europe, le DON est principalement produit par Fusarium graminearum. Si les étapes de la voie de biosynthèse des TCTB sont assez bien décrites, les mécanismes moléculaires impliqués dans la régulation de cette voie restent, à ce jour, mal compris.Des études récentes ont mis en évidence que les modifications post-traductionnelles des histones canoniques ainsi que de leurs variantes joue un rôle critique dans les régulations des biosynthèses des mycotoxines et autres métabolites secondaires chez les champignons filamenteux, en modifiant la structure de la chromatine. Chez F. graminearum, il a été prouvé que l'histone désacétylase HDF1 est impliquée dans l'activation de la production de DON. Par contre, la marque histone H3K27me3 réprime 14 % de son génome, y compris des gènes impliqués dans les voies métaboliques secondaires. La variante d'histone H2A.Z, trouvée de façon ubiquitaire chez les eucaryotes, participe à de nombreux processus biologiques dont la stabilité génomique, la réparation de l’ADN, la régulation de transcription et la désactivation des télomères. Toutefois, les mécanismes sous-jacents de ces fonctions restent flous. Chez certaines espèces, la fonction de H2A.Z semble essentielle. À ce jour, la seule étude ciblant directement la fonction de H2A.Z chez les champignons filamenteux a été réalisée chez Neurospora crassa et a identifié son rôle dans la réponse au stress oxydatif.Nous avons ici fait l’hypothèse que H2A.Z est impliquée dans des processus biologiques importants chez F. graminearum, y compris ceux impliqués dans la production de métabolites secondaires dont les mycotoxines. Ce projet vise ainsi à caractériser les rôles joués par H2A.Z dans le contrôle du développement, du métabolisme et de la virulence chez F. graminearum.À l’aide d’une approche de génétique inverse, nous avons créé six mutants ne possédant plus le gène codant H2A.Z dans trois souches différentes de F. graminearum. Tous les mutants présentent un déficit en sporulation, germination, croissance radiale et production de DON. Cependant, l'intensité des effets observés dépend du fond génétique considéré. En outre, le rajout du gène sauvage codant H2A.Z ne restaure pas les phénotypes sauvages. Les séquençages des génomes complets des mutants ont montrés que, bien que H2A.Z ait été totalement éliminé du génome, des mutations compensatoires se produisent à d'autres loci, indépendamment du fond génétique, dans des gènes impliqués dans le remodelage de la chromatine. De manière frappante, une mutation supplémentaire a été détectée dans les mutants délétés pour H2AZ dans lesquels l’allèle sauvage a été réintroduit. Nous avons également construit les mutants surexprimés H2A.Z, mais aucune différence significative de phénotype entre les mutants et la souche sauvage n’a été observée. L’ensemble de ces résultats indique que H2A.Z est essentielle chez F. graminearum, l’occurrence de mutations compensatoires ayant compensé l’effet létal de la délétion infligée. Nous émettons l'hypothèse que les profondes réorganisations des réseaux génétique permettent cette plasticité, avec certaines conséquences en termes d'évolution et d'adaptation.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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