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In multicellular organisms H3K27me3 has been shown to be deposited by Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2) to establish and maintain gene silencing, critical for cell fate and developmentally regulated processes. PRC2 complex is absent in both yeasts Saccharomyces cerevisiae and Schizosaccharomyces pombe , which initially suggested that PRC2 arose with the emergence of multicellularity. However, its discovery in several unicellular species including microalgae questions its role in unicellular eukaryotes. Here, we show in the model diatom Phaeodactylum tricornutum (Pt), using mutants in the homologue of the catalytic subunit of PRC2, enhancer of zeste E(z) , that Pt E(z) is responsible for di and tri-methylation of lysine 27 of histone H3. H3K27me3 depletion abolishes cell morphology in Pt providing evidence for a role of H3K27me3 in cell differentiation in unicellular species. Genome wide profiling of H3K27me3 in fusiform and triradiate cells further revealed genes that may specify cell identity. These results suggest a role for PRC2 and its associated histone mark in cell differentiation in unicellular species and highlights their ancestral function in a broader evolutionary context than is currently appreciated.

Funding : European Union Seventh Framework Program Network of Excellence EpiGeneSys [HEALTH-F4-2010-257082]; International audience; Background Cytosine methylation is crucial for gene regulation and silencing of transposable elements in mammals and plants. While this epigenetic mark is extensively reprogrammed in the germline and early embryos of mammals, the extent to which DNA methylation is reset between generations in plants remains largely unknown. Results Using Arabidopsis as a model, we uncovered distinct DNA methylation dynamics over transposable element sequences during the early stages of plant development. Specifically, transposable elements and their relics show invariably high methylation at CG sites but increasing methylation at CHG and CHH sites. This non-CG methylation culminates in mature embryos, where it reaches saturation for a large fraction of methylated CHH sites, compared to the typical 10–20% methylation level observed in seedlings or adult plants. Moreover, the increase in CHH methylation during embryogenesis matches the hypomethylated state in the early endosperm. Finally, we show that interfering with the embryo-to-seedling transition results in the persistence of high CHH methylation levels after germination, specifically over sequences that are targeted by the RNA-directed DNA methylation (RdDM) machinery. Conclusion Our findings indicate the absence of extensive resetting of DNA methylation patterns during early plant life and point instead to an important role of RdDM in reinforcing DNA methylation of transposable element sequences in every cell of the mature embryo. Furthermore, we provide evidence that this elevated RdDM activity is a specific property of embryogenesis.

International audience; Increasing yield and quality of seed storage compounds in a sustainable way is a key challenge for our societies. Genome-wide analyses conducted in both monocot and dicot angiosperms emphasized drastic transcriptional switches that occur during seed development. In Arabidopsis thaliana, a reference species, genetic and molecular analyses have demonstrated the key role of LAFL (LEC1, ABI3, FUSS, and LEC2) transcription factors (TFs), in controlling gene expression programs essential to accomplish seed maturation and the accumulation of storage compounds. Here, we summarize recent progress obtained in the characterization of these LAFL proteins, their regulation, partners and target genes. Moreover, we illustrate how these evolutionary conserved TFs can be used to engineer new crops with altered seed compositions and point out the current limitations. Last, we discuss about the interest of investigating further the environmental and epigenetic regulation of this network for the coming years.

In der folgenden Dissertationsarbeit habe ich mich mit Zelldifferenzierungsprozessen anhand der Blatthaarentwicklung der Modellpflanze Arabidopsis thaliana beschäftigt. Der Zelltyp "Trichom" eignet sich besonders um entwicklungsbiologische Fragestellungen wie beispielsweise die Initiation eines bestimmten Zellschicksals, die Generierung eines geordneten Abstandsmusters oder auch die Prozesse hinsichtlich der Ausbildung einer streng festgelegten dreidimensionalen Zellform zu untersuchen. In meiner Arbeit habe ich einige dieser Aspekte untersucht. Daher unterteile ich meine Ausführungen in die beiden Abschnitte Morphogenese (Untersuchung der Ausbildung einer bestimmten Zellform) und Trichom-Musterbilding ("pattern formation"; Analyse der Prozesse, die für die Zellschicksalsfestlegung der Blatthaare aus anfänglich nicht unterscheidbaren Zellen notwendig sind). Im Kapitel Morphogenese habe ich mich mit zwei Mutanten beschäftigt, die Störungen der Ausbildung der Zellform aufweisen. In normalen, sogenannten wildtypischen (WT) Blatthaaren wachsen die Zellen aus der Blattoberfläche aus und bilden anschließend ein stereotypisches Verzweigungsmuster. In der stichel-Mutante (sti) ist die Entstehung der Verzweigungen vollständig gestört, d.h., es entstehen keine Verzweigungen mehr. Es konnte in der Arbeit gezeigt werden, dass das STI-Gen diesen Prozess in einer Dosis-abhängigen Art reguliert. Eine Reduzierung der STI-Aktivität führt demnach zu einer Reduktion der Verzweigungen und eine Erhöhung zu einer vermehrten Verzweigung. Daneben legte die Klonierung des STI-Gens durch Hilmar Ilgenfritz eine Verbindung der Morphogenese mit bestimmten Zell-Zyklus-Prozessen nahe. Frühere Untersuchungen ergaben, dass Trichom-Zellen einen bestimmten Typ von Zellzyklus durchlaufen. Der DNA-Gehalt wird dabei wie bei einer normalen Zellteilung verdoppelt, die Zelle teilt sich jedoch nicht. Dieser Prozess wird als Endoreduplikation oder auch Endoreplikation bezeichnet. Tatsächlich kodiert STI für ein Protein, das Ähnlichkeiten mit einer DNA-Polymerase-Untereinheit besitzt, also mit einem Enzym, das maßgeblich an der Synthese von DNA während des Zellzyklus beteiligt ist. Allerdings konnte weder eine Verminderung des DNA-Gehalts in sti-Mutanten noch eine Erhöhung in Pflanzen, die STI vermehrt produzieren, beobachtet werden. Die weitere Analyse zeigte jedoch, dass STI zu einer phylogenetisch separierten Gruppe von Proteinen gehört, die bislang nur in Pflanzen gefunden wurde und wahrscheinlich nicht in direktem Zusammenhang mit den DNA-Polymerase-Untereinheiten steht. Diese Vermutung wurde weiter untermauert durch die Beobachtung, dass das STI-Protein nicht im Kern, also dem Ort der DNA-Synthese, sondern an den zukünftigen Verzweigungspunkten der Trichome gefunden wurde. STI scheint also direkt an der Ausbildung der Verzweigungen beteiligt zu sein. Die zweite Morphogenese-Mutante (cpr5), die von mir in dieser Arbeit untersucht wurde, ähnelt sti insofern, als auch hier eine starke Reduktion der Trichom-Verzweigung zu beobachten ist. Darüber hinaus konnte ich zeigen, dass es hierbei, im Gegensatz zu sti, zu einer Reduktion des DNA-Gehalts in den Trichomen der cpr5-Mutante kommt. Die weitere Analyse ergab, dass es in cpr5 zu einem Absterben der Trichome kommt, was auch in anderen Teilen der Pflanze beobachtet wurde. Daneben weist cpr5 ein vermindertes Wachstum auf und scheint in mehreren Prozessen gestört zu sein. Gemeinsam mit Viktor Kirik wurde das CPR5-Gen kloniert und es zeigte sich, dass es für ein Protein unbekannter Funktion kodiert. Die Proteinstruktur lässt keine genaueren Vermutungen über die molekulare Funktion von CPR5 zu. Im zweiten Teil dieser Arbeit konzentriere ich mich auf die Prozesse der Ausbildung des regelmäßigen Abstandsmusters der Trichome zueinander. Dabei war vor allem eine Komponente dieses Musterbildungssystems, das TTG1-Gen, noch nicht genauer charakterisiert. Ich konnte die Aktivität des TTG1-Gens in zellulärer und zeitlicher Auflösung anhand von Promoter-GUSAnalysen aufzeigen und die Lokalisation des TTG1-Proteins innerhalb der Zelle klären. Dabei zeigte sich, dass TTG1 überall in der Zone der Trichom-Musterbildung exprimiert wird und dass das Protein anfänglich überwiegend in den Kernen und mit zunehmender Entwicklung des Blattes überwiegend im Cytoplasma der Zellen zu finden ist. Allerdings behalten die Trichome die Lokalisation von TTG1 in den Kernen über ihre gesamte Entwicklung hinweg bei. Daneben konnte ich zeigen, dass TTG1 nicht-zellautonom wirkt und das Protein zwischen Zellen mobil ist. Diese Mobilität scheint auch für das Zustandekommen eines regelmäßigen Musters wichtig zu sein. Dies wird offensichtlich wenn die Mobilität des Proteins gestört oder gar verhindert wird, wobei es zu schwerwiegenden Störungen des Musters kommt.

International audience; The retinoblastoma protein (Rb), which typically functions as a transcriptional repressor of E2F-regulated genes, represents a major control hub of the cell cycle. Here, we show that loss of the Arabidopsis Rb homolog RETINOBLASTOMA-RELATED 1 (RBR1) leads to cell death, especially upon exposure to genotoxic drugs such as the environmental toxin aluminum. While cell death can be suppressed by reduced cell-proliferation rates, rbr1 mutant cells exhibit elevated levels of DNA lesions, indicating a direct role of RBR1 in the DNA-damage response (DDR). Consistent with its role as a transcriptional repressor, we find that RBR1 directly binds to and represses key DDR genes such as RADIATION SENSITIVE 51 (RAD51), leaving it unclear why rbr1 mutants are hypersensitive to DNA damage. However, we find that RBR1 is also required for RAD51 localization to DNA lesions. We further show that RBR1 is itself targeted to DNA break sites in a CDKB1 activity-dependent manner and partially co-localizes with RAD51 at damage sites. Taken together, these results implicate RBR1 in the assembly of DNA-bound repair complexes, in addition to its canonical function as a transcriptional regulator.