CE20 - Biologie des animaux, des organismes photosynthétiques et des microorganismes

Editer les marques épigénétiques pour réorienter le développement des plantes – REWIRE

WP 1 : Développement d'outils pour l'édition enzymatique des marques d'histones dans les plantes (P1 et P2)

WP1.1 : Outil d'édition basé sur les chromatiodies(Cb) pour la modification des résidus d'histones (P1) à l'échelle du génome

WP 1.2 : Outil d'édition basé sur CRISPR/dCas9 pour la modification des histones au niveau de gènes spécifiques (P1 et P2)

WP 1.3 : Évaluation des outils (P1 et P2)

Nous avons construit la majorité des outils d'édition ciblés pour modifier les marques au niveau de résidus de lysine (K) spécifiques sur l'histone 3 (H3), à l'échelle du génome, en utilisant un chromatographe, ou au niveau des loci cibles, en utilisant l'outil CRISPR/dCas9 en combinaison avec une enzyme modifiant la lysine (LME) (Figure 1). Nous avons développé les outils pour piloter l'édition de marque aux positions K4, K27 ou K36 de H3, de manière constitutive et constante, ou de manière inductible grâce à un tag Glucocorticoïd Receptor (GR) - système Dexamethasone (DEX).

WP1.1 :
Nous avons développé des constructions Cb-LME destinées à être introduites dans les plantes afin d'induire une augmentation globale de me3 sur les résidus H3K4 ou H3K36, ou une diminution de me3 sur le résidu H3K27. Pour cela, nous avons choisi des LME bien caractérisées : SDG2 pour la triméthylation de H3K4, SETD2 pour la triméthylation de H3K36, et REF6 et ELF6 pour la déméthylation de H3K27me3. Grâce à des recherches bibliographiques approfondies et des analyses de modélisation structurelle, nous avons choisi des régions réduites au domaine catalytique de l'enzyme plutôt que la protéine entière pour une meilleure précision et une meilleure efficacité des modifications de la chromatine prévues.
Dans une première série de constructions, nous utilisons le promoteur UBQ10 pour exprimer ectopiquement et uniformément les activités dans la plante ; ces constructions sont actuellement introduites dans les plantes d'Arabidopsis thaliana. Nous préparerons également des constructions pour exprimer le Cb-LME d'une manière spécifique aux tissus (dans l'apex de la pousse en utilisant le promoteur ULT1, dans les jeunes primordia floraux en utilisant le promoteur LFY), afin d'affiner notre caractérisation des effets du recâblage des marques sur le développement.

WP 1.2 :
Nous utilisons les mêmes domaines catalytiques LME que ceux présentés dans le WP1.1, en prenant bien soin de réduire les protéines LME à leurs domaines catalytiques (par exemple, le domaine JmJ pour REF6, afin d'éviter tout biais de liaison à d'autres loci de la chromatine via son domaine N-terminal en doigt de zinc). Nous avons conçu deux ARNg pour chaque cible (les répresseurs de floraison FLC et FWA, le régulateur CUC3 des frontières entre les organes floraux, les gènes de la famille MADS AG, AP3 et SEP3).

WP1.3 :
En raison de la crise sanitaire du Covid-19, ce sous-WP a été retardé et nous prévoyons de le démarrer en septembre-octobre, sur les premières lignées obtenues des WP 1.1 et WP 1.2.

Produits livrables:
1.1. Cb-LME :
constructions ectopiques UBQ::Cb-LMEx --> obtenues ; plantes actuellement transformées
les constructions contextuelles --> en cours d'élaboration
1.2. dCas9-LME :
construction UBQ::dCasFWA-LME UBQ::dCasCUC3-LME --> obtenu ; bientôt introduit dans les plantes
construction UBQ::dCasFLC-LME, UBQ::dCasAG-LME, UBQ::dCasAP3-LME, UBQ::dCasSEP3-LME --> en préparation
1.3. Validation des lignées pour l'édition des marques à l'échelle du génome ou du locus : retard dû au Covid-19.

Publication:
C.Thouly, M. Le Masson, X. Lai, C. C. Carles, G. Vachon. Unwinding BRAHMA functions in plants (2020). Genes, 11(1):90.

En plus des travaux effectués et résultats atteints sur la période pour WP1 :
1) Etudes phénotypiques et moléculaires poussées sur les lignées transgéniques d’Arabidopsis exprimant des versions mutées d'H3, et qui constituaient la « preuve de concept » pour le projet ANR REWIRE. La découverte de nouveaux défauts développementaux (transition florale, élongation de la tige, sur-prolifération de tissus de xylème, types cellulaires aberrants), et de voies régulatrices hormonales sensibles aux mutations dans H3, sera valorisée par la préparation d’une première publication qui sera soumise dans l’année 2020. Les données qui seront publiées ont été obtenues par les deux partenaires de l’ANR, en association avec une collaboratrice de long terme du P1 (Leor Eshed-Williams, Université de Tel Aviv).
2) Invitation de C. Carles (P1) à être éditrice pour une issue spéciale dans la revue Plants (MDPI) qui sera co-coordonnée par A. Berr (P2) et L. Eshed-Williams. Intitulée « Chromatin Dynamics for Developmental Transitions in Plants ».
3) Préparation, pour l’issue spéciale d’une revue par les partenaires du projet REWIRE sur les stratégies et technologies d’édition épigénétique des marques chromatiniennes, parmi lesquelles l’utilisation de nanobodies et CRISPR-dCas9 font le cœur de l’ANR REWIRE (soumission prévue pour septembre 2020).

Résumé de soumission

Comment les plantes déploient-elles et adaptent-elles leurs programmes développementaux?
Des progrès considérables ont été réalisés dans l'identification des régulateurs génétiques et épigénétiques impliqués. Cependant jusqu’à aujourd’hui, les approches basées sur l’étude de mutants ont généré des conclusions principalement corrélatives entre activités transcriptionnelles et contextes chromatiniens, apportant ainsi des informations limitées sur la fonction directe des épigénomes au cours du développement. Pour en saisir les aspects mécanistiques, l’enjeu actuel est de développer des outils permettant de manipuler les marques épigénétiques avec précision. Avec REWIRE, nous construirons et utiliserons de tels outils pour comprendre l’impact des marques épigénétiques sur l'architecture des plantes. Pour ceci, nous mettrons en œuvre de nouvelles technologies d’édition moléculaire afin de modifier certaines marques épigénétiques portées par les histones, à la fois à l’échelle du génome et sur des gènes clés ciblés. Par des approches d'imagerie in cyto et d’analyses moléculaires à haut-débit, nous étudierons le lien structure-fonction entre chromatine et transcription à une résolution spatio-temporelle sans précédent. REWIRE est un tremplin vers la découverte de déterminants épigénétiques essentiels à la plasticité du développement des plantes, et devrait également apporter des réponses aux grandes questions posées par l’épigénétique chez les eucaryotes supérieurs. De plus, parce que les marques épigénétiques que nous proposons d’étudier corrèlent avec fitness, floraison et rendement, nos découvertes inspireront de nouvelles stratégies pour l'amélioration des caractères agronomiques.
En conclusion, REWIRE aura des impacts multiples, tant en incrémentant nos connaissances pour la science fondamentale et la transmission du savoir, qu’en procurant des outils pour le développement de brevets dans le secteur de l’agriculture.

Coordination du projet

Christel CARLES (LABORATOIRE DE PHYSIOLOGIE CELLULAIRE VEGETALE)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LPCV LABORATOIRE DE PHYSIOLOGIE CELLULAIRE VEGETALE
IBMP Institut de biologie moléculaire des plantes (IBMP)

Aide de l'ANR 527 608 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2018 - 48 Mois

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