Le groupe CHRODYNO étudie les coordinations dynamiques entre les régulations chromatiniennes et la signalisation développementale ou environnementale en exploitant plusieurs systèmes biologiques et des approches multidisciplinaires.
Autres Mots clés : Arabidopsis, Amaranthe, chromatine, épigénétique, métabolites, graine, nucelle, stress, sécheresse, évolution
L’épigénétique caractérise des informations transmises de façon héréditaire indépendamment du support génétique, l’ADN, et qui sont définies par des modifications biochimiques de l’ADN et des protéines chromatiniennes. La reconfiguration épigénétique de la chromatine régule finement la transcription des génomes ainsi que d’autres processus génomiques. L’épigénétique a ainsi été perçue comme une force évolutive ayant participé à (i) l’émergence de la multi-cellularité, (ii) au développement de la totipotence, mais aussi à (iii) la capacité des organismes à répondre aux stress environnementaux et à (iv) s’adapter à de nouvelles niches écologiques.
Nos axes de recherche s’articulent autour des mécanismes de coordination entre (i) dynamique de la chromatine et du noyau et (ii) signalisation développementale et environnementale. Cela nous conduit à questionner comment les activités épigénétiques sont, elles aussi, régulées. Un des niveaux de coordination doit vraisemblablement provenir de l’état métabolique de la cellule. En effet, l’ADN et les protéines chromatiniennes sont modifiés par l’addition de groupements dérivés de métabolites spécifiques, parmi lesquels, on trouve les groupes acétyle et méthyle. Ces modifications biochimiques sont par ailleurs présentes sur une myriade de protéines, voire d’ARN et divers composés organiques, suggérant des compétitions pour les substrats et donc, un impact sur les régulation fines de l’expression des gènes [1].
Pour répondre à ces questions encore très peu abordées chez les plantes, nous exploitons des modèles expérimentaux complémentaires ainsi que des outils de génétique moléculaire, biochimie, biologie cellulaire et structurale ainsi que la microscopie et la modélisation.
1. Signalisation et coordination développementale des tissus de la graine
Le développement de la graine chez les Angiospermes est un paradigme pour la communication entre tissus. En effet, il nécessite un développement synchrone de quatre tissus maternels (nucelle, enveloppe de la graine, chalaze et funicule) et de deux structures provenant de la fécondation (embryon et endosperme).
Nous caractérisons les voies de signalisation qui permettent la coordination du développement des structures de la graine et leur histoire évolutive, depuis l’organisation de la chromatine jusqu’aux signaux en aval. Nous comparons les plus anciennes structures de graines chez deux systèmes modèles, Arabidopsis et Amaranthe, [2, 3] et développons des approches multidisciplinaires basées sur la génétique, la reconstruction tridimensionnelle de tissu, le profilage transcriptomique de type cellulaire spécifique, et l’analyse de réseaux de gènes.
2. Coordination entre chromatine et métabolisme en réponse au stress environnemental
Les relations fonctionnelles entre épigénétique et métabolisme est un champ de recherche en émergence. Chez l’homme par exemple, des maladies résultant de régimes alimentaires carencés sont souvent associées à des altérations des mécanismes épigénétiques conduisant à des dérégulations de gènes. Du fait de la conservation de nombreux métabolites, des histones et enzymes de modifications de la chromatine, des parallèles entre les plantes et l’homme sont vraisemblables. De plus, comme les plantes diffèrent par leur style de vie des animaux, il est important de clarifier les spécificités de ces interactions entre métabolisme-épigénétique dans le monde végétal. En effet, les plantes produisent une myriade de métabolites, dont un grand nombre sont impliqués dans la défense contre les pathogènes et dans les réponses aux stress abiotiques ou jouent un rôle important en santé humaine. Nous avons identifié un épimétabolite, l’acétyl-1,3-diaminopropane (acDAP), résultant de l’activité d’une N-acétyltransférase activée par la sécheresse (NATA1). Dans les cellules stomatiques, l’acDAP module les transports ioniques et le potentiel de la membrane plasmique [4]. En réponse à une sécheresse modérée, l’acDAP joue un rôle antagoniste à celui de l’acide abscissique [5], une hormone végétale qui contrôle la fermeture stomatique et permet de conserver l’humidité dans les tissus végétaux. Ces résultats ont mis en évidence un mécanisme de gestion du conflit H2O/CO2 permettant d’optimiser la croissance lorsque les ressources en eau des sols deviennent limitantes. Nous étudions comment ces activités membranaires contrôlées par l’AcDAP sont ensuite transmises et coordonnées au niveau de la chromatine.
ADN, ARN chromatine et métabolites, quatre déterminants essentiels pour le développement et les réponses environnementales.
3. Modélisation de la dynamique nucléaire
Les progrès récents ont mis en lumière l’extraordinaire complexité, dynamique mais aussi structuration du noyau des cellules, tant chez les animaux que chez les plantes grâce à une trousse à outils allant de la microscopie aux techniques de capture de la conformation des chromosomes ou de biophysique. La question d’une architecture nucléaire végétale unique permettant la totipotence végétale reste ouverte. Nous avons choisi d’interroger les règles d’organisation tridimensionnelle de l’architecture nucléaire chez les plantes, en exploitant les ressources disponibles autour du modèle Arabidopsis thaliana. Nous sommes tout particulièrement intéressés par deux types d’acteurs, les protéines Polycomb et Trithorax qui jouent des rôles antagonistes dans la dynamique chromatinienne et les régulations transcriptionnelles [6]. Nous utilisons une approche intégrative combinant biologie moléculaire, microscopie et modélisation.
Personnes impliquées : Enrico Magnani, scientist ; Valérie Gaudin, scientist
Collaboration Philippe Andrey (IJPB-MIN team)
1. Leung J, Gaudin V: Who Rules the Cell? An Epi-Tale of Histone, DNA, RNA, and the Metabolic Deep State. Front Plant Sci 2020, 11:181.
2. Coen O, Lu J, Xu W, De Vos D, Pechoux C, Domergue F, Grain D, Lepiniec L, Magnani E: Deposition of a cutin apoplastic barrier separating seed maternal and zygotic tissues. BMC Plant Biol 2019, 19(1):304.
3. Magnani E: Seed Evolution, A 'Simpler' Story. Trends Plant Sci 2018, 23(8):654-656.
4. Jammes F, Leonhardt N, Tran D, Bousserouel H, Very AA, Renou JP, Vavasseur A, Kwak JM, Sentenac H, Bouteau F et al: Acetylated 1,3-diaminopropane antagonizes abscisic acid-mediated stomatal closing in Arabidopsis. Plant J 2014, 79(2):322-333.
5. Leung J: The First Broad-Spectrum Abscisic Acid Antagonist. Plant Physiol 2017, 173(4):1939.
6. Molitor A, Latrasse D, Zytnicki M, Andrey P, Houba-Herin N, Hachet M, Battail C, Del Prete S, Alberti A, Quesneville H et al: The Arabidopsis hnRNP-Q Protein LIF2 and the PRC1 subunit LHP1 function in concert to regulate the transcription of stress-responsive genes. Plant Cell 2016, 28:2197-2211.
L’épigénétique caractérise des informations transmises de façon héréditaire indépendamment du support génétique, l’ADN, et qui sont définies par des modifications biochimiques de l’ADN et des protéines chromatiniennes. La reconfiguration épigénétique de la chromatine régule finement la transcription des génomes ainsi que d’autres processus génomiques. L’épigénétique a ainsi été perçue comme une force évolutive ayant participé à (i) l’émergence de la multi-cellularité, (ii) au développement de la totipotence, mais aussi à (iii) la capacité des organismes à répondre aux stress environnementaux et à (iv) s’adapter à de nouvelles niches écologiques.
Nos axes de recherche s’articulent autour des mécanismes de coordination entre (i) dynamique de la chromatine et du noyau et (ii) signalisation développementale et environnementale. Cela nous conduit à questionner comment les activités épigénétiques sont, elles aussi, régulées. Un des niveaux de coordination doit vraisemblablement provenir de l’état métabolique de la cellule. En effet, l’ADN et les protéines chromatiniennes sont modifiés par l’addition de groupements dérivés de métabolites spécifiques, parmi lesquels, on trouve les groupes acétyle et méthyle. Ces modifications biochimiques sont par ailleurs présentes sur une myriade de protéines, voire d’ARN et divers composés organiques, suggérant des compétitions pour les substrats et donc, un impact sur les régulation fines de l’expression des gènes [1].
Pour répondre à ces questions encore très peu abordées chez les plantes, nous exploitons des modèles expérimentaux complémentaires ainsi que des outils de génétique moléculaire, biochimie, biologie cellulaire et structurale ainsi que la microscopie et la modélisation.
1. Signalisation et coordination développementale des tissus de la graine
Le développement de la graine chez les Angiospermes est un paradigme pour la communication entre tissus. En effet, il nécessite un développement synchrone de quatre tissus maternels (nucelle, enveloppe de la graine, chalaze et funicule) et de deux structures provenant de la fécondation (embryon et endosperme).
Nous caractérisons les voies de signalisation qui permettent la coordination du développement des structures de la graine et leur histoire évolutive, depuis l’organisation de la chromatine jusqu’aux signaux en aval. Nous comparons les plus anciennes structures de graines chez deux systèmes modèles, Arabidopsis et Amaranthe, [2, 3] et développons des approches multidisciplinaires basées sur la génétique, la reconstruction tridimensionnelle de tissu, le profilage transcriptomique de type cellulaire spécifique, et l’analyse de réseaux de gènes.
2. Coordination entre chromatine et métabolisme en réponse au stress environnemental
Les relations fonctionnelles entre épigénétique et métabolisme est un champ de recherche en émergence. Chez l’homme par exemple, des maladies résultant de régimes alimentaires carencés sont souvent associées à des altérations des mécanismes épigénétiques conduisant à des dérégulations de gènes. Du fait de la conservation de nombreux métabolites, des histones et enzymes de modifications de la chromatine, des parallèles entre les plantes et l’homme sont vraisemblables. De plus, comme les plantes diffèrent par leur style de vie des animaux, il est important de clarifier les spécificités de ces interactions entre métabolisme-épigénétique dans le monde végétal. En effet, les plantes produisent une myriade de métabolites, dont un grand nombre sont impliqués dans la défense contre les pathogènes et dans les réponses aux stress abiotiques ou jouent un rôle important en santé humaine. Nous avons identifié un épimétabolite, l’acétyl-1,3-diaminopropane (acDAP), résultant de l’activité d’une N-acétyltransférase activée par la sécheresse (NATA1). Dans les cellules stomatiques, l’acDAP module les transports ioniques et le potentiel de la membrane plasmique [4]. En réponse à une sécheresse modérée, l’acDAP joue un rôle antagoniste à celui de l’acide abscissique [5], une hormone végétale qui contrôle la fermeture stomatique et permet de conserver l’humidité dans les tissus végétaux. Ces résultats ont mis en évidence un mécanisme de gestion du conflit H2O/CO2 permettant d’optimiser la croissance lorsque les ressources en eau des sols deviennent limitantes. Nous étudions comment ces activités membranaires contrôlées par l’AcDAP sont ensuite transmises et coordonnées au niveau de la chromatine.
ADN, ARN chromatine et métabolites, quatre déterminants essentiels pour le développement et les réponses environnementales.
3. Modélisation de la dynamique nucléaire
Les progrès récents ont mis en lumière l’extraordinaire complexité, dynamique mais aussi structuration du noyau des cellules, tant chez les animaux que chez les plantes grâce à une trousse à outils allant de la microscopie aux techniques de capture de la conformation des chromosomes ou de biophysique. La question d’une architecture nucléaire végétale unique permettant la totipotence végétale reste ouverte. Nous avons choisi d’interroger les règles d’organisation tridimensionnelle de l’architecture nucléaire chez les plantes, en exploitant les ressources disponibles autour du modèle Arabidopsis thaliana. Nous sommes tout particulièrement intéressés par deux types d’acteurs, les protéines Polycomb et Trithorax qui jouent des rôles antagonistes dans la dynamique chromatinienne et les régulations transcriptionnelles [6]. Nous utilisons une approche intégrative combinant biologie moléculaire, microscopie et modélisation.
Personnes impliquées : Enrico Magnani, scientist ; Valérie Gaudin, scientist
Collaboration Philippe Andrey (IJPB-MIN team)
1. Leung J, Gaudin V: Who Rules the Cell? An Epi-Tale of Histone, DNA, RNA, and the Metabolic Deep State. Front Plant Sci 2020, 11:181.
2. Coen O, Lu J, Xu W, De Vos D, Pechoux C, Domergue F, Grain D, Lepiniec L, Magnani E: Deposition of a cutin apoplastic barrier separating seed maternal and zygotic tissues. BMC Plant Biol 2019, 19(1):304.
3. Magnani E: Seed Evolution, A 'Simpler' Story. Trends Plant Sci 2018, 23(8):654-656.
4. Jammes F, Leonhardt N, Tran D, Bousserouel H, Very AA, Renou JP, Vavasseur A, Kwak JM, Sentenac H, Bouteau F et al: Acetylated 1,3-diaminopropane antagonizes abscisic acid-mediated stomatal closing in Arabidopsis. Plant J 2014, 79(2):322-333.
5. Leung J: The First Broad-Spectrum Abscisic Acid Antagonist. Plant Physiol 2017, 173(4):1939.
6. Molitor A, Latrasse D, Zytnicki M, Andrey P, Houba-Herin N, Hachet M, Battail C, Del Prete S, Alberti A, Quesneville H et al: The Arabidopsis hnRNP-Q Protein LIF2 and the PRC1 subunit LHP1 function in concert to regulate the transcription of stress-responsive genes. Plant Cell 2016, 28:2197-2211.
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Responsable :
Valérie Gaudin