Role of the antagonistic histone methylation marks H3K4me3 and H3K27me3 in the cold stress response of Arabidopsis thaliana

Abstract

As sessile organisms, plants need to adapt to their changing environment, including temperature fluctuations. As low temperatures can have major noxious consequences on their development and survival, plants need to establish the proper defences in order to endure the stress. This requires a massive and very fast transcriptome reprogramming involving, among others, the induction of hundreds of cold-responsive (COR) genes. Following the immediate response to chilling stress, plants are also able to memorize cold spells, leading to an improved survival during a second stress episode. This process is associated with a revised transcriptomic response also called transcriptional memory. Overall, both the response to cold and the memory of this stress rely on the tight transcriptional regulation of the COR genes. While numerous transcription factors necessary for their induction were already identified, the role of chromatin modifications in this process remains largely undiscovered. As the combination of chromatin modifications (the “chromatin state”) is a key determinant of gene expression, this study aimed at uncovering the potential role of histone modifications in the transcriptional regulation of COR genes before, during and after a cold episode. First, a comprehensive in silico analysis of the chromatin state of COR genes prior to any cold occurrence revealed that a majority of those genes carry both the activating mark H3K4me3 and the silencing mark H3K27me3, forming a specific chromatin state called bivalency. The in vivo characterization of bivalent genes revealed that this chromatin state decorates not only cold-inducible genes but numerous reversibly silenced stress-responsive genes and might poise them for expression by maintaining them in an open chromatin conformation. Furthermore, the putative bivalency reader DEK2 was shown to prevent the over-induction of bivalent COR genes during a cold episode, suggesting that bivalency can also participate in transcriptional regulation in trans through the action of specific readers. In a second stage, the dynamics of H3K4me3 and H3K27me3 during a cold stress were analysed using genome-wide approaches, revealing that both marks underwent intensive redistribution already after three hours of low temperature. Those changes partially correlated with expression changes: in particular, the induction of COR genes was associated with a loss of the repressive mark H3K27me3 or a gain of the activating mark H3K4me3. However, each mark displayed different targets and dynamics, suggesting that they hold distinct roles in the cold response: H3K4me3 associated with immediate stress responses while H3K27me3 rather correlated with longer-term adaptation. Upon return to ambient temperature, the cold-induced variations reverted at a different pace depending on the gene and some changes were maintained for up to seven days. Both the maintenance of H3K4me3 and H3K27me3 changes were linked to transcriptional memory: higher levels of H3K4me3 were associated with sustained induction while lower levels of H3K27me3 were correlated with a faster re-induction during a second stress exposure. Finally, the H3K27me3 demethylase ELF6 was shown to be essential for cold stress memory. This led to the hypothesis that cold stress memory might rely on the maintained loss of H3K27me3 on specific COR genes, allowing a faster re-establishment of defences during a second stress episode. In conclusion, this study demonstrates that the antagonistic marks H3K4me3 and H3K27me3 jointly participate to the transcriptional regulation of COR genes and reveals a new role of bivalency in the plant cold stress response and memory.

Da Pflanzen an ihren Standort gebunden sind, müssen sie sich ständig an veränderte Umweltbedingungen anpassen. Kälte kann schädliche Folgen für die Pflanzenentwicklung und sogar zum Absterben von Pflanzen führen. Daher müssen Pflanzen auf diesen Stress reagieren, indem sie eine geeignete Abwehr zum Überleben aufbauen. Dies erfordert eine erhebliche Umprogrammierung des Transkriptoms, welche die Induktion von zahlreichen kälteempfindlichen (COR) Genen enthält. Nach einer direkten Stressantwort sind Pflanzen in der Lage ein Kältegedächtnis aufzubauen, wodurch sie eine zweite Kälteepisode besser überstehen. Dieser Prozess ist mit massiven Änderungen auf Genexpressionsebene verbunden, die auch „transkriptionelles Gedächtnis“ genannt wird. Sowohl die unmittelbare Reaktion auf, als auch das Bilden eines längerfristigen Gedächtnisses an Kälte, sind auf eine präzise Transkriptionsregulation von COR Genen angewiesen. Obwohl der Chromatinzustand ein bestimmender Faktor für Genexpression ist, ist die Rolle von Chromatinmodifikationen in der Induktion von COR Genen noch weitgehend unbekannt. Deshalb war es das Ziel dieser Arbeit, die Rolle von Histonmodifikationen in der Transkriptionsregulation von COR Genen vor, während, und nach Kältestress zu analysieren. Zunächst offenbarte eine umfassende in silico Analyse des Chromatinzustands von COR Genen vor einem Kälteereignis, dass die Mehrheit dieser Gene sowohl die aktivierende Modifikation H3K4me3 als auch die repressive Modifikation H3K27me3 tragen. Dieser Chromatinzustand wird auch als bivalent bezeichnet. Die in vivo Charakterisierung bivalenter Gene zeigte, dass besonders stillgelegte, induzierbare Gene durch einen bivalenten Chromatinzustand markiert sind. Diese könnten dadurch für eine eventuelle Expression vorbereitet sein, indem diese Genbereiche in einer offenen Chromatin-Konformation verbleiben. Der vermeintliche Bivalenz-Leser DEK2 verhinderte die Überinduktion von bivalenten Genen während einer Kälteepisode. Dies weist darauf hin, dass Bivalenz auch an der Transkriptionsregulation in trans durch die Aktion von bestimmten Reader-Proteinen Anteil nehmen kann. Die Analyse der H3K4me3 und H3K27me3 Dynamik mittels genomweiter Methoden zeigte, dass bei niedrigen Temperaturen eine intensive Neuverteilung beider Modifikationen stattfindet, die teilweise mit Expressionsvariationen korrelierte. Insbesondere war die Induktion von COR Genen mit einem Verlust der repressiven Modifikation H3K27me3 oder einer Zunahme der aktivierenden Modifikation H3K4me3 assoziiert. Die Modifikationen haben jedoch distinkte Rollen in der Kälteantwort. H3K4me3 war mit der unmittelbaren Stressantwort assoziiert, während H3K27me3 eher mit Langzeitadaptation korreliert war. Nach der Rückkehr zu ambienter Umgebungstemperatur kehrte das Chromatin zu seinem Ausgangzustand in unterschiedlichem Tempo abhängig vom Gen zurück, wobei manche Veränderungen bis zu sieben Tage beibehalten wurden. Die Aufrechterhaltung von sowohl H3K4me3 als auch H3K27me3 Variationen waren mit transkriptionellem Gedächtnis assoziiert: höhere H3K4me3 Mengen korrelierten mit beständiger Induktion und niedrigere H3K27me3 Mengen waren mit einer schnelleren Re-Induktion während einer zweiten Kälteepisode assoziiert. Schließlich wurde gezeigt, dass die H3K27me3 Demethylase ELF6 unabdingbar für das Kältestressgedächtnis ist. Der fortbestehende Verlust von H3K27me3 auf spezifischen Genen könnte daher die molekulare Basis für das Kältestressgedächtnis sein, indem ein schnellerer Wiederaufbau der Abwehr während einer zweiten Stressepisode ermöglicht wird. Insgesamt zeigt diese Studie, dass die antagonistischen Modifikationen H3K4me3 und H3K27me3 gemeinsam an der Transkriptionsregulation von COR Genen teilhaben, und offenbart eine neue Rolle der Bivalenz bei der Kältestressreaktion von Pflanzen.