Functional interplays between linker histone H1 variants and chromatin landscape in Arabidopsis thaliana
Institution:
université Paris-SaclayDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
Being capable of rapid phenotypic adaptations in response to environmental cues, plants are characterized by a remarkable developmental plasticity. Specifically, plants have the ability to sense light conditions by multiple photosensory receptors and to use this crucial information to adapt their morphology and physiology to a changing environment. For example, the first perception of light by young plantlets emerging from the soil induces deep changes in gene expression that launch growth and photosynthetic activity. During this transition, genome expression reprogramming is accompanied by massive rearrangements of chromatin sub-nuclear organization. In the Arabidopsis thaliana plant species, a large part of heterochromatin containing silent and condensed repeated elements is scattered within multiple foci in the nucleoplasm of most cotyledon cells when grown in darkness. Upon exposure to light, cotyledon de-etiolation triggers the rapid condensation of heterochromatic domains into 8-to-10 large chromocenters that form around centromeres. This phenomenology has led us to the identification of histone H1 variants as key molecular players in triggering chromocenter dynamics. These inter-nucleosomal linker histones are conserved structural components of eukaryotic chromatin that contribute to both local and higher-order chromatin organization and condensation, notably restricting DNA accessibility to multiple factors such as RNA polymerases. In this thesis cytological and genomic approaches were used to investigate the influence of the three Arabidopsis thaliana H1 variants in the definition of the genome and the 3D chromatin structure in cotyledon cells. The combination of Assay for Transposase-Accessible Chromatin (ATAC) and Chromosome Conformation Capture (Hi-C) allowed dissecting how H1 histones impact genome topology and the adaptation of the chromatin landscape for a new transcriptional program. The analysis of histone marks abundance and their genome-wide profiling using quantitative chromatin immunoprecipitation (ChIP-Rx) further enhances current knowledge. We uncovered the functional impact of histones H1 in defining chromatin repressive landscape on many genes and repeated elements, potentially by restricting access to transcription factors on specific sequence motifs. Collectively, this work has allowed deciphering the specific and redundant functional implications of histone H1 variants as key molecular regulators of the chromatin landscape in plants.
Abstract FR:
Les plantes sont caractérisées par une remarquable plasticité développementale. En vertu de leur mode de vie sessile, elles sont capables d'adaptations phénotypiques rapides en réponse à des signaux environnementaux. En particulier, les plantes ont la capacité de détecter les conditions de lumière par de multiples photorécepteurs et utilisent cette information pour adapter leur morphologie et leur physiologie à un environnement changeant. Par exemple, la première perception de la lumière par des jeunes plantules, émergeant du sol, induit des changements profonds dans l'expression des gènes qui lancent la croissance et l'activité photosynthétique. Au cours de cette transition, la reprogrammation de l'expression du génome s'accompagne de réorganisations massives de l'organisation de la chromatine dans la grande majorité des cellules des feuilles embryonnaires, les cotylédons. Ainsi, chez la plante Arabidopsis thaliana, le dé-étiolement des cotylédons est associé à une condensation rapide des principaux domaines hétérochromatiniens en 8 à 10 "chromocentres" qui se forment autour des centromères. L’étude des voies de signalisation contrôlant ce processus nous a conduit à l'identification d’un acteur moléculaire clé pour la dynamique d'organisation des chromocentres en réponse à la lumière, les histones H1. Ces histones de liaison inter-nucléosomiques sont des composants structurels conservés qui contribuent à réguler l'organisation et la condensation locale et a grande échelle de la chromatine en limitant l'accessibilité à l'ADN pour de nombreux facteurs telles que les ARN polymérases. Cette thèse porte sur la caractérisation des réarrangements chromatiniens médiés par des variants d'histone H1. Des approches cytologiques et génomiques ont permis d’appréhender l'influence des trois différents variants H1 d'Arabidopsis thaliana dans la définition des structures 3D du génome et de la chromatine des cellules de cotylédons. La combinaison de tests d’accessibilité à la transposase Tn5 (ATAC) et de capture de conformation chromosomique (Hi-C) permet également de disséquer comment les histone H1 impactent la topologie du génome et l'adaptation du paysage chromatinien pour un nouveau programme de transcription. L'analyse de l'abondance et le profilage par immuno-précipitation quantitative de marques d'histones (ChIP-Rx) a également permis d'identifier le rôle joué par les histones H1 sur le paysage chromatinien répressif ainsi que son impact fonctionnel sur de nombreux gènes et éléments répétés du génome, potentiellement en restreignant l'accès à des facteurs de transcription sur des motifs de séquence spécifiques. Collectivement, ce travail a permis de disséquer les spécificités et les redondances fonctionnelles des variants d'histones de liaison en tant que régulateurs moléculaires du paysage chromatinien chez les plantes.