Genetics and epigenetics of the paramutation phenomenon in maize
Génétique et Epigénétique du phénomène de paramutation chez le maïs
Résumé
Paramutation is defined as the meiotically and mitotically heritable change in expression resulting from the interaction between specific alleles. This phenomenon has been observed at four loci in maize, but the cellular and molecular mechanisms underlying the paramutation phenomenon remain largely unknown. Previously described actors of paramutation encode components of the RNA-directed DNA-methylation (RdDM) pathway that participate in the biogenesis of 24-nt siRNAs and long non-coding RNAs. We uncover ARGONAUTE104 (AGO104) as a member of the RdDM effector complex that is in charge of guiding 24-nt siRNAs to their DNA target to create de novo DNA methylation, by combining immunolocalization, immunoprecipitation and small RNA sequencing. We then provide evidence that AGO104 is involved in paramutation at the b1 locus in maize using small RNA sequencing and reverse genetics. We then tried to unravel the impact of paramutation on evolution by determining the extent of the phenomenon on maize. We created a backcross population from distant inbred lines (B73, M37W and M162W) and sequenced their leaf messenger RNA. We identified 147 genes that meet all criteria of paramutation as their silencing is stable through meiosis, and the newly silenced genes in turn silence active genes through successive backcrosses. These genes cover diverse functions in maize, but carry no significant differences in TEs or small-RNA density, and do not appear to be regulated by previously described actors of paramuation. With these 147 new candidates to paramutation, we argue that this phenomenon is more common than initially expected in maize. Previous work using 3C technology (Chromosome Conformation Capture) showed that seven tandem repeats located upstream of the paramutable b1 gene are involved in the formation of loops that are potential regulators of paramutation. To determine the involvement of chromatin contacts in paramutation, we used Circular Chromosome Conformation Capture (4C) on somatic tissues from plants that are, and are not, capable of paramutation (respectively B’ and B-I). We searched for long-range contacts that are allele-specific to identify paramutation-related chromatin interactions.
La paramutation est un changement d'expression méiotiquement et mitotiquement stable, résultant de l'interaction entre certains allèles. Ce phénomène a été observé à quatre loci chez le maïs, mais les mécanismes cellulaires et moléculaires qui sous-tendent le phénomène restent largement inconnus. Les acteurs de la paramutation précédemment décrits codent pour des composants de la voie de RNA-directed DNA methylation (RdDM) qui participent à la biogenèse des petits ARN interférents de 24 nucléotides (24-nt siRNA) et des longs ARN non codants. En combinant de l'immunolocalisation, de l'immunoprécipitation et le séquençage de petits ARNs, nous décrivons ARGONAUTE104 (AGO104) comme membre du complexe effecteur RdDM chargé de guider les 24-nt siRNAs vers leur cible ADN pour créer une méthylation de novo. Nous apportons ensuite la preuve que AGO104 est impliqué dans la paramutation au locus b1 chez le maïs en utilisant le séquençage de petits ARN et l’introgression d’un mutant ago104 dans une population paramutagénique. Par la suite, nous avons souhaité déterminer si la paramutation est un mécanisme de silencing global chez le maïs en croisant des lignées génétiquement distantes (B73, M37W et M162W) et en séquençant leur ARN messager foliaire. Nous avons identifié 147 gènes qui répondent à tous les critères de la paramutation car leur niveau d’expression est identique à celui du parent faiblement exprimé, même en l’absence de l’allèle parental d’origine. Ces gènes couvrent diverses fonctions chez le maïs, mais ne présentent pas de différences significatives de densité d’éléments transposables ou de densité de petits ARN. Avec ces 147 nouveaux candidats à la paramutation, nous soutenons que ce phénomène est plus commun que précédemment décrit chez le maïs. Enfin, des travaux antérieurs utilisant la technologie 3C (Chromosome Conformation Capture) ont montré que sept répétitions en tandem situées en amont du gène b1 sont impliquées dans la formation de boucles qui régulent potentiellement la paramutation. Pour mieux comprendre l'implication des interactions chromatiniennes dans la paramutation, nous avons utilisé la capture de la conformation des chromosomes circulaires (4C) sur des tissus somatiques de plantes qui sont, et ne sont pas, capables de paramutation (respectivement B' et B’ mutant pour mop1-1). Nous avons cherché des interactions en trans qui sont spécifiques à l’allèle paramutagénique, afin d'identifier des interactions chromatiniennes liées à la paramutation
Origine : Version validée par le jury (STAR)