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

Remodelage chromatinien dans la régulation de Crossing-Over méiotique et la production des graines – ChromCO

Découvrir le rôle du remodelage de la chromatine sur la formation des ‘Crossing-Over’ (CO) au cours de la méiose

‘Crossing-Over’ (CO) au cours de la méiose est un principal mécanisme permettant de générer de la diversité génétique. Comprendre la régulation de CO dans le contexte de la structure physiologique de la chromatine a une grande importance pour la recherche fondamentale et aussi appliquée.

Elucider l’impact des modifications d’histone et du remodelage de la chromatine sur la régulation de CO, la méiose, et la reproduction des plantes

Des études intensives antérieurs ont permis d’isoler nombreux gènes impliqués dans la méiose chez la levure, les plantes et les animaux. Au niveau de la molécule d’ADN, la formation de Double-Strand-Breaks (DSBs), la recombinaison homologue et la formation de CO sont assez bien compris. Cependant, au niveau de la chromatine (organisation fonctionnelle du génome), la régulation de ces évènements est encore peu étudiée. Le projet ChromCO a pour but d’étudier l’impact des modifications d’histone et du remodelage de la chromatine sur la formation des COs, la méiose et la reproduction. Il implique des travaux sur deux espèces de Brassicacées: l’espèce modèle Arabidopsis thaliana et l’une des principales espèces cultivées oléagineuses dans le monde (le colza, Brassica napus).

Le projet combine CRISPR-Cas9 / cartographie génétique et génomique / microscopie / immuno-marquage / cytologie, les méthodes bien maîtrisées dans les laboratoires des trois principaux investigateurs, pour permettre de caractériser fonctionnellement les gènes INO et de grandement améliorer nos connaissances sur le rôle des modifications d’histones et du remodelage de la chromatine dans la formation des COs le long des chromosomes.

Nous avons contribué à la caractérisation du mutant atino80 et la mise en évidence d’une fonction importante d’AtINO80 dans la distribution des nucléosomes et l’incorporation de l’histone variante H2A.Z le long du génome entier chez l’Arabidopsis. En plus d’atino80, plusieurs autres mutants dont nous disposons déjà au laboratoire sont en cours de caractérisation pour la méiose et la reproduction chez l’Arabidopsis. Chez le colza, nous utilisons des approches CRISPR-Cas9 pour éditer les différentes copies du gène INO. Les analyses des transformants sont en cours. Par la suite, l’impact des pertes de fonction INO sera analysé sur la formation de CO, la méiose et la production des graines.

Notre étude contribuera à éclairer de façon originale: i) le mode d‘action du gène INO pour remodeler la chromatine et réguler la formation de COs; ii) l’impact des modifications d’histones et du remodelage de la chromatine sur la distribution des CDBs et COs; iii) la conservation ou la différence du mécanisme de remodelage de la chromatine pour la formation de COs entre deux espèces très différentes au niveau du nombre et de la complexité des chromosomes: l'une diploïde (Arabidopsis thaliana; 2n = 10) et l’autre allotétraploïde (Brassica napus; AACC, 2n = 38).

Yang C, Yin L, Xie F, Ma M, Huang S, Zeng Y, Shen WH, Dong A, Li L. (2020) AtINO80 represses photomorphogenesis by modulating nucleosome density and H2A.Z incorporation in light-related genes. Proc Natl Acad Sci USA. doi: 10.1073/pnas.2001976117.

Rousseau-Gueutin M, Facon M, Taburel LM, Deniot G, Archambeau H, Dellero Y, Montes E, Veillet F, Chauvin L, Chèvre AM. Tuning a ménage à 4: how to deal with DUPLicated gene Expression. Colloque EFOR meeting, 10-11 mai 2021

Le projet ChromCO a pour but d’étudier l’impact des modifications d’histone et du remodelage de la chromatine sur la formation des ‘Crossing-Over’ (CO) au cours de la méiose, principal mécanisme permettant de générer de la diversité génétique. Il sera réalisé sur deux espèces de Brassicacées: l’espèce modèle Arabidopsis thaliana et l’une des principales espèces cultivées oléagineuses dans le monde (le colza, Brassica napus). Des études récentes ont commencé à révéler l’importance des modifications chromatiniennes sur la distribution des COs. De plus, nos résultats non-publiés ont révélé qu’un gène ‘INO’, codant pour un facteur de remodelage de la chromatine ATP-dépendant, joue un rôle répressif sur la fréquence des COs chez Arabidopsis. La protéine INO est conservée mais codée par trois gènes homologues chez le colza. Au sein de ce projet, nous proposons d’élucider en détail la fonction d’INO mais aussi d’aborder des questions fondamentales et émergentes en biologie sur les mécanismes de la modification d’histone et du remodelage de la chromatine dans la formation de COs.

Ce projet s’appuiera sur des approches multi-disciplinaires (CRISPR-Cas9, cartographie génétique et génomique, microscopie, immuno-marquage, cytologie) maîtrisées dans les laboratoires des trois principaux investigateurs, permettant de caractériser fonctionnellement les gènes INO et de grandement améliorer nos connaissances sur le rôle des modifications d’histones et du remodelage de la chromatine dans la formation des COs le long des chromosomes. Plus particulièrement, en plus des plusieurs mutants dont nous disposons déjà et que nous allons caractériser en détail, nous allons éditer les trois gènes INO présents chez le colza par des approches CRISPR-Cas9. Par la suite, l’impact des pertes de fonction INO sur la fréquence et la distribution des COs sera déterminé à l’échelle globale du génome par cartographie génétique. Des nouvelles connaissances sur les fonctions de(s) gène(s) INO et leurs interactions fonctionnelles avec des gènes méiotiques (RECQ4, HEI10/HEIP1) ou d’autres régulateurs chromatiniens (SWR1, NRPs, SDG8, SDG2, HUB2) seront acquises par des approches génétiques et des analyses moléculaires. L’immuno-marquage et la microscopie seront utilisés afin d’analyser pendant la méiose des marqueurs dits épigénétiques, i.e. r-H2A.X, H2A.Z et H3 méthylé, chez les mutants par rapport au témoin sauvage. De plus, les modifications de la distribution des cassures double-brins de l’ADN (CDBs ; qui initient la recombinaison) et des COs observées chez le mutant seront analysées pour vérifier une corrélation éventuelle avec des profils des modifications chromatiniennes, telles que les méthylations d’histone (H3K4, H3K9, H3K27 et H3K36) et/ou des variants d’histone (H2A.Z, H3.3, H2A.W) disponible chez l’Arabidopsis, à l’échelle du génome. Ce projet permettra d’éclairer de façon originale: i) le rôle du remodelage de la chromatine dans la formation des COs; ii) le mode d‘action du gène INO pour remodeler la chromatine et réguler la formation de COs; iii) l’impact des modifications d’histones et du remodelage de la chromatine sur la distribution des CDBs et COs à l’échelle du génome; iv) la conservation ou la différence du mécanisme de remodelage de la chromatine pour la formation de COs entre deux espèces très différentes au niveau du nombre et de la complexité des chromosomes: l'une diploïde (Arabidopsis thaliana; 2n = 10) et l’autre allotétraploïde (Brassica napus; AACC, 2n = 38).

Les résultats obtenus de ce projet auront un impact prépondérant dans l’acquisition de nouvelles connaissances fondamentales et appliquées. En effet, la compréhension des mécanismes permettant d’augmenter la fréquence de COs permettra aux sélectionneurs d’optimiser les schémas de création variétale. Une meilleure connaissance des COs entre chromosomes homologues (A et A ou C et C) et homoleologues (A et C) nous aiderait à comprendre la formation d’une espèce hybride comme le colza.

Coordination du projet

Wen Hui SHEN (Institut de biologie moléculaire des plantes)

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

IJPB INRA Institut Jean-Pierre BOURGIN
IGEPP Institut de Génétique Environnement et Protection des Plantes
IBMP Institut de biologie moléculaire des plantes

Aide de l'ANR 542 501 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2019 - 48 Mois

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