Epigenetic control of the ovarian transcriptome in Drosophila melanogaster - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Epigenetic control of the ovarian transcriptome in Drosophila melanogaster

Contrôle épigénétique du transcriptome ovarien chez Drosophila melanogaster

Résumé

Dynamic regulation of the epigenome underlies cellular plasticity and allows cells to respond to developmental and differentiation programs. Epigenomic effectors can mediate changes such as modification of histone tails, nucleosome positioning or the incorporation of specific histone variants, altering chromatin structure and thus gene expression. Yet, the molecular mechanisms underpinning these processes remain largely unknown. A major challenge in the field is to establish direct functional connections between upstream chromatin factors, which generally have broad impact on chromatin, and the controlled expression of specific cellular effectors. My PhD project was precisely based on the discovery of a specific functional link between a series of epigenomic effectors and the highly regulated terminal effector of zygote formation in Drosophila melanogaster: the maternal thioredoxin Deadhead (Dhd). Dhd is critical to ensure paternal chromatin remodeling at fertilization, and thus zygote formation. First, an shRNA-based genetic screen in the female germline led me to identify (i) the H3K4me3 demethylase Lid, (ii) the members of the deacetylase complex Sin3A and Rpd3, (iii) the Snr1 subunit of the chromatin remodeler Swi/Snf and (iv) the chromatin factor Mod(mdg4), as essential for the expression of dhd. For further analyses I focused on Lid, Sin3A, Snr1 and Mod(mdg4). Transcriptomic analyses showed that dhd is among the most highly expressed genes in ovaries and this expression is completely abolished when I deplete Lid, Sin3A, Snr1 or Mod(mdg4) specifically in the female germline. Remarkably, there is a paucity of misregulated genes in knockdown ovaries. This suggested that these broadly conserved, ubiquitous complexes are mostly dedicated to regulation of dhd in this tissue. This paradigmatic case presented the opportunity to dissect the mechanisms at play in the epigenomic control of the establishment of specific transcriptional programs, as is the one set during oogenesis. Next, using Cut&Run chromatin profiling with a dedicated data analysis strategy, I found that dhd is embedded in a heterochromatic H3K27me3/H3K9me3-enriched mini-domain flanked by DNA regulatory elements, including a dhd promoter-proximal element essential for its expression. Surprisingly, Lid, Sin3A, Snr1 and Mod(mdg4) impact H3K27me3 and this regulatory element in distinct manners. However, I showed that these effectors activate dhd 11 independently of H3K27me3/H3K9me3 and that these marks are not required to repress dhd in adult tissues. Altogether, my work uncovered multiple unusual genomic and epigenomic characteristics at the dhd locus, but did not identify a single feature that was truly defining ovarian hyperactivation. The dramatic regulation of dhd may rely not on an individual trait but rather on a unique combination of such rare features. Through the example of dhd, my work demonstrates the puzzling process that is gene activation in the right place, at the right time and in the right amount. It also illustrates the difficulty to establish general rules on chromatin-based regulatory systems, which are very often context-dependent.
La régulation dynamique de l’épigenome est à la base de la plasticité cellulaire et permet aux cellules de répondre aux programmes développementaux et de différenciation. Les effecteurs épigénomiques entraînent des changements tels que la modification des queues des histones, le positionnement des histones ou l’incorporation de variants d’histones, ce qui impacte la structure de la chromatine et donc l’expression génique. Cependant, les mécanismes moléculaires sous-jacents restent, en grande partie, inconnus. Un défi majeur du domaine est l’établissement de liens fonctionnels directs entre modificateurs épigénétiques, qui ont tendance à avoir un effet global sur le génome, et expression de gènes effecteurs. Mon projet de thèse s’est justement basé sur la découverte d’une connexion fonctionnelle entre une série d’effecteurs épigénomiques et un effecteur de la formation du zygote chez Drosophila melanogaster : la thiorédoxine maternelle Deadhead (Dhd). Dhd est cruciale pour le remodelage de la chromatine paternelle à la fécondation et donc pour la formation du zygote. Tout d’abord, un crible génétique basé sur l’expression de shRNAs dans la lignée germinale femelle m’a permis d’identifier : (i) l’histone demethylase Lid/dKDM5 (ii) les membres du complexe déacétylase Sin3A et Rpd3 (iii) la sous-unité Snr1du remodeleur de la chromatine Swi/Snf et (iv) le facteur chromatinien Mod(mdg4), comme étant essentiels pour l’expression de dhd. Pour la suite des analyses je me suis focalisée sur Lid, Sin3A, Snr1 et Mod(mdg4). Des analyses transcriptomiques ont montré que dhd est parmi les gènes les plus exprimés dans les ovaires et que cette expression est abolie lors du knockdown dans la lignée germinale femelle de lid, sin3a, snr1 ou mod(mdg4). De façon remarquable la quantité de gènes dérégulés dans les ovaires knockdown est limitée. Ceci suggère que ces complexes ubiquitaires et conservés sont dédiés à la régulation de dhd dans ce tissu. Ce cas paradigmatique m’a donc offert une opportunité pour disséquer les mécanismes moléculaires agissant sur le contrôle épigénomique de l’établissement de programmes transcriptionnels spécifiques, comme c’est le cas lors de l’ovogénèse. Ensuite, en utilisant la méthode de profilage de la chromatine Cut&Run et une stratégie d’analyse de données dédiée, j’ai trouvé que dhd est intégré dans un mini-domaine enrichi en marques hétérochromatiques H3K27me3/H3K9me3 et délimité par des éléments régulateurs. De plus, l’élément régulateur à proximité du promoteur de dhd s’est avéré essentiel pour son expression. De façon surprenante, Lid, Sin3A, Snr1 et Mod(mdg4) ont des effets différents sur H3K27me3 et sur ces éléments régulateurs. Néanmoins, j’ai mis en évidence que ces effecteurs activent dhd de façon indépendante de H3K27me3/H3K9me3. De plus, j’ai trouvé que ces marques ne sont pas nécessaires pour réprimer dhd dans les tissus adultes. Mes travaux de thèse ont donc révélé plusieurs caractéristiques inhabituelles, au niveau génomique et épigénomique, au locus dhd. Cependant je n’ai pas établi un trait unique qui conduise à l’hyperactivation de dhd dans la lignée germinale femelle. La régulation de dhd dépendrait non pas d’une seule caractéristique mais plutôt d’une combinaison de traits particuliers. À travers l’exemple de dhd, mes travaux démontrent la complexité des processus qu’implique l’activation d’un gène au bon endroit, au bon moment et en bonne quantité. Ils illustrent également la difficulté d’établir des règles générales sur les mécanismes de régulation transcriptionnelle médiés par la chromatine, qui sont très souvent contexte-spécifique.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03793803 , version 1 (02-10-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03793803 , version 1

Citer

Daniela Torres Campana. Epigenetic control of the ovarian transcriptome in Drosophila melanogaster. Genetics. Université de Lyon, 2021. English. ⟨NNT : 2021LYSE1176⟩. ⟨tel-03793803⟩
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