Evolution of the role and biochemical properties of LEAFY
Evolution du rôle et des propriétés biochimiques de LEAFY
Résumé
Flowers are a key innovation in plant evolution and their origin remains a mystery. LEAFY
(LFY) is a unique plant transcription factor regulating floral development, but this gene
predates flowers. My thesis work aimed to understand how the evolution of LFY biochemical
properties could help explaining flower origins.
First, I took part in the structural characterization of LFY DNA-binding domain, revealing a
novel protein fold bound to DNA as a cooperative dimer (Hamès et al., 2009). To
exhaustively characterize its DNA binding specificity, I set up a SELEX experiment that
yielded hundreds of sequences with high-affinity for LFY. Based on these sequences, I built a
LFY binding site predictive model (position weight matrix) that I validated in vitro. This
matrix led to a biophysical model, able to explain the set of genomic regions bound by LFY in
vivo, as established in a ChIP-seq experiment in Arabidopsis seedlings, but also to detect
functional orthologs of LFY targets genes in other angiosperms genomes.
Since LFY is present in mosses, ferns and gymnosperms that do not flower, I tested if its DNA
binding specificity is different in these groups. In parallel, I uncovered correlations between
the expression patterns of LFY genes and several homologs of floral homeotic genes in the
gymnosperm, Welwitschia mirabilis. After demonstrating that surface plasmon resonance can
be used to analyse interactions between transcription factors and entire gene promoters
(Moyroud et al., 2009), I tested the interplay between LFY and its potential targets in
Welwitschia and established that a pre-floral network was already at work in non-flowering
plants.
Les fleurs sont une innovation cruciale du monde végétal et leur origine demeure mystérieuse.
Le développement floral est contrôlé par LEAFY (LFY), un facteur de transcription original
qui existait déjà chez les plantes pré-angiospermes. Le but de ma thèse a été d’étudier si
l’évolution des propriétés de LFY pouvait aider à comprendre l’apparition de la structure
florale.
J’ai contribué à la caractérisation structurale du domaine de liaison à l’ADN de LFY
d’Arabidopsis, qui a révélé un repliement inédit contactant l’ADN sous forme coopérative
(Hamès et al., 2008). Ensuite, j’ai utilisé la technique de SELEX pour isoler 500 séquences de
haute affinité pour LFY et bâtir un modèle biophysique prédisant l’affinité de ce facteur pour
toute séquence d’ADN. Ce modèle a été validé par des mesures in vitro et par confrontation à
l’ensemble des cibles génomiques de LFY révélées par ChIP-seq. Appliqué aux génomes
d’autres angiospermes, ce modèle permet de repérer les cibles de LFY au sein d’un groupe de
paralogues.
LFY étant présent chez des plantes sans fleurs comme les mousses et les gymnospermes, j’ai
testé par Selex si sa spécificité de liaison à l’ADN était différente chez ces plantes. Enfin, j’ai
montré des corrélations d’expression entre les gènes LFY et plusieurs homologues des gènes
homéotiques floraux chez la gymnosperme Welwitschia mirabilis. Après avoir établi que la
technique de résonnance plasmonique de surface détectait des interactions entre une protéine
et de grands fragments d’ADN (Moyroud et al., 2009), j’ai montré la capacité de LFY de
Welwitschia à reconnaître les promoteurs de ses cibles potentielles, mettant ainsi en évidence
l’existence d’un réseau pré-floral.