Les éléments transposables (ET) et leur reliques sont des composants majeurs des génomes eucaryotes. Ils sont potentiellement hautement mutagéniques car leur prolifération peut engendrer des réarrangements chromosomiques, des interruptions de gènes ou affecter l’expression génique par interférence transcriptionnelle. Néanmoins, peu d’ET sont généralement mobiles dans les génomes grâce à l’action de mécanismes qui restreignent leur activité comme la méthylation de l’ADN chez les mammifères et les plantes. De fait, chez Arabidopsis thaliana, une perte sévère de méthylation de l’ADN causée par une mutation dans le gène codant la protéine remodeleuse de chromatine DDM1 (DECREASE IN DNA METHYLATION 1) engendre l’accumulation massive de transcrits correspondants à des séquences d’ET. En revanche, peu d’ET semblent être mobilisés suite à cette réactivation transcriptionnelle. Nous proposons ici de déterminer (1) l’étendue de la mobilisation des ET suite à la perte de méthylation de l’ADN, (2) la distribution des nouvelles insertions d’ET le long du génome d’Arabidopsis et (3) les conséquences des nouvelles insertions d’ET sur l’expression des gènes situés à proximité. Dans ce but, nous avons séquencé le génome d’une cinquantaine d’epiRIL (epigenetic Recombinant Inbred Lines) dérivées d’un croisement entre une plante sauvage et un mutant ddm1. Suite au croisement retour de la F1 avec une plante sauvage et sélection des individus F2 homozygotes pour l’allèle sauvage DDM1, les epiRIL ont été propagées au travers de 6 autofécondations successives. Les epiRIL permettent donc l’étude détaillée des évènements de transpositions juste après qu’ils aient eu lieu. Pour identifier les évènements de transpositions dans ces lignées nous avons mis au point TE-tracker, un programme basé sur les données issues du séquençage Illumina de banques maite-pair. Par cette approche, nous avons montré que les ET mobiles dans ddm1 et les epiRIL appartiennent à seulement une quinzaine environ des >300 familles identifiées dans le génome d’Arabidopsis. Qui plus est, on observe des variations importantes de fréquences et dynamiques de transpositions entre les différentes familles d’ET ce qui suggère l’existence de mécanismes additionnels contrôlant la transposition. Les analyses moléculaires réalisées sur un sous-ensemble des ET mobilisés appartenant à différentes familles ont notamment montré que ces différences sont dues en grande partie aux différentes modalités d’établissement du contrôle épigénétique sur les ET nouvellement insérés. D’autre part, nos analyses indiquent que la distribution des nouvelles insertions d’ET diffère grandement de celle des copies résidentes. Ce résultat suggère donc que la suraccumulation des séquences d’ET dans les régions péricentromériques du génome d’Arabidopsis n’est pas due à un ciblage spécifique des insertions dans ces régions, mais est plutôt la conséquence de leur élimination des bras chromosomiques. Enfin, nous avons cherché à déterminer dans quelle mesure la méthylation de l’ADN associée aux séquences répétées a un impact sur l’expression des gènes situés à proximité en étudiant des mutants affectés dans les différentes voies de la méthylation de l’ADN. Par des analyses phénotypiques et moléculaires nous avons montré que, même si la plupart des gènes d’Arabidopsis n’est pas affectée par l’état de méthylation des séquences répétées situées à proximité, deux voies de la méthylation de l’ADN agissent ensemble pour maintenir l’expression normale d’un petit nombre de gènes ayant des effets pléiotropes situés proximité de séquences répétées. La méthylation de l’ADN agit donc comme un double système de contrôle pour assurer l’expression normale d’un petit nombre de gènes clefs localisés a proximité de séquences répétées. / Transposable elements (TEs) and their relics are major components of eukaryotic genomes. TEs are potentially highly mutagenic as their proliferation can cause chromosomal rearrangements, disrupt genes or affect gene expression through transcriptional interference. However, few TEs are usually mobile within genomes at any one time thanks to potent mechanisms that restrain their activity, such as DNA methylation in mammals and plants. Thus, in the flowering plant Arabidopsis, severe loss of DNA methylation caused by mutations in the chromatin remodeler gene DDM1 triggers massive accumulation of transcripts corresponding to TEs. Yet, comparatively few TEs appear to be mobilized as a result. Here, we set out to determine (1) the extent to which DNA methylation prevents TE mobilization, (2) where do TEs insert following their reactivation and (3) what are the consequences of new TE insertions on the expression of neighboring genes. To this ends, we have sequenced the genome of over 50 epigenetic Recombinant Inbred Lines (epiRILs) that were derived from a cross between a wild type and an isogenic ddm1 mutant line. After backcrossing of the F1 and selection of the progeny homozygous for wild-type DDM1, the epiRILs were propagated through six rounds of selfing. The epiRILs therefore permit a detailed assessment of transposition events soon after they have occurred. In order to identify TE mobilization in the epiRILs we developed TE-tracker, a pipeline based on Illumina sequencing of mate pairs libraries. Using this approach, we could show that although both retroelements and DNA transposons are mobilized in ddm1 and the epiRILs, mobile TEs belong to only a dozen or so of the >300 TE families identified in the Arabidopsis genome. Furthermore the rate and dynamics of transposition vary dramatically between TE families, suggesting the existence of additional mechanisms controlling transposition. Molecular analysis performed on a subset of those mobile TEs belonging to distinct families show that these differences are greatly due to different modality of establishment of epigenetic control over newly inserted TEs. In addition, our analysis indicates that the distribution of new TE insertions differs dramatically from the one of resident copies. These findings provide compelling evidence that over accumulation of TE sequences in the pericentromeric regions of the Arabidopsis genome is not due to specific targeting of TEs, but rather to their elimination from chromosome arms. Finally, we assessed the extent to which repeat-associated DNA methylation impacts the expression of neighboring genes by studying mutants affected in different methylation pathways. Phenotypic and molecular analyses reveal that, even though most Arabidopsis genes are not detectably sensitive to the methylation status of neighboring repeats, two DNA methylation pathways act together to maintain the normal expression of only a very small number of genes near repeats and that these genes tend to have pleiotropic effects. Then, DNA methylation acts as a double-lock system to ensure the normal expression of a small number of key genes located near repeats.

Chez les plantes et les mammifères, la méthylation de l’ADN est une modification chromatinienne qui joue un rôle pivot dans le maintien de l’intégrité des génomes, notamment au travers de l’extinction épigénétique des éléments transposables (ET). Cependant, dans la mesure où la désamination spontanée des cytosines méthylées, qui peut conduire à des transitions C>T, est plus fréquente que celle des cytosines non méthylées, la méthylation est également intrinsèquement mutagène. Cette mutabilité accrue est de fait très certainement à l’origine de la déplétion en dinucléotides CpG observée dans les génomes de mammifères, naturellement méthylés à ces sites sauf au sein des «îlots CpG». A l’exception de cet effet bien connu, aucune étude à ce jour n’a exploré directement et de façon exhaustive l’impact de la méthylation sur le spectre des mutations spontanées. Dans ce travail, je tire profit d’une population de lignées epiRIL (epigenetic recombinant inbred lines) établie chez la plante Arabidopsis pour évaluer à l’échelle du génome l’impact de la méthylation de l’ADN sur le paysage mutationnel. Les epiRILs dérivent du croisement entre deux parents quasi- isogéniques, l’un sauvage et l’autre porteur d’une mutation conduisant à une réduction de 70% de la méthylation du génome, et il a pu être mis en évidence que des différences parentales de méthylation pouvaient être héritées de façon stable pour >1000 régions le long du génome. Au moyen de données de séquençage disponibles pour >100 epiRIL, j’ai effectué la caractérisation exhaustive des variants ADN (autres qu’ET) uniques à chaque lignée mais également en ségrégation parmi les epiRIL, ce qui constitue à terme une ressource pour les différentes équipes qui utilisent cette population. En analysant le patron de variants uniques, j’ai mis en évidence une réduction spécifique du taux de transitions C>T en lien avec l’hypométhylation stable dans les epiRIL. J’ai aussi pu décrire que si la remobilisation extensive des ET dans cette population a modelé le spectre des insertions et délétions ponctuelles, elle ne se traduit pas pour autant par des réarrangements récurrents. Je présente également les développements méthodologiques mis en place afin d’effectuer la caractérisation de QTL (quantitative trait loci) “épigénétiques” préalablement identifiés dans la population. / In both plants and mammals, DNA methylation plays a pivotal role in ensuring proper genome function and integrity, notably through the epigenetic silencing of transposable elements (TEs). However, as spontaneous deamination of 5- methylcytosine (5mC), which can lead to C>T transitions, is more frequent than that of unmethylated C, DNA methylation is also inherently mutagenic. This higher mutability of 5mC has indeed been proposed to explain the depletion in CpG dinucleotides in mammalian genomes, which are typically methylated at these sites except in socalled CpG islands. Despite this well-characterized effect of DNA methylation, we still lack a comprehensive view of its impact on the whole mutation spectrum in any given organism. Here, I take advantage of a population of so-called epigenetic Recombinant Inbred Lines (epiRILs) established in the flowering plant Arabidopsis thaliana to investigate the impact of DNA methylation on the spectrum of spontaneous mutations genome wide. The epiRIL population derives from a cross between a wild-type individual and a near-isogenic mutation deficient in DNA methylation, and it could be shown that parental differences in DNA methylation are stably inherited for at least 8 generations over >1000 regions across the genome. Building on whole-genome sequencing data available for >100 epiRILs, I performed a thorough characterization of non- TE DNA sequence variants that are either private to one line or segregating in the population, therefore establishing a resource for research groups that make use of the epiRIL population. Based on the pattern of private variants, I show a specific reduction in the rate of C>T transitions in the epiRILs, in line with the heritable hypomethylation in this population. I also describe that the extensive TE remobilisation at play among the epiRILs shapes the spectrum of short insertions and deletions yet does not translate into recurrent large-scale mutation events. On another note, I also present methodological developments aimed towards the identification of causal (epi)variants underlying so-called “epigenetic QTL” (quantitative trait loci) previously described in the epiRIL population.

Des changements de méthylation de l’ADN peuvent affecter l’expression des gènes et pour certains être transmis au travers des générations. De telles « épimutations » qui concernent des groupes de cytosines à proximité ou dans les gènes sont donc une source potentielle de variation phénotypique héritable en absence de changements de la séquence de l’ADN. Chez les plantes la méthylation de l’ADN est cependant principalement observée au niveau des séquences répétées. Il reste à déterminer dans quelle mesure les changements de méthylation au niveau de ce type de séquences peuvent être héritées et affecter les phénotypes. Afin de répondre à ces questions, plus de 500 épiRIL (epigenetic Recombinant Inbred Lines) quasi-isogéniques a été générée chez Arabidopsis thaliana. Cette population a été obtenue par le croisement d’un parent sauvage et d’un parent mutant pour le gène DDM1 présentant une très forte réduction du taux de méthylation de l’ADN. Après un rétrocroisement de la F1 avec une plante sauvage, les individus sauvages pour le gène DDM1 ont été sélectionnés et propagées sur 6 générations par autofécondation. Nous avons montré par l’analyse du méthylome de plus de 100 épiRIL que l’hypométhylation induite par ddm1 présente selon les séquences affectées différents degrés de transmission au travers des générations. La réversion de l’hypométhylation concerne des régions associées à une abondance élevée en sRNA de 24 nt. Nous avons utilisé l’hypométhylation stablement transmise dans les épiRIL induite par ddm1 afin de détecter des QTL (Quantitative Trait Loci) affectant le temps de floraison et la longueur de la racine primaire, deux caractères pour lesquels les variations observées dans les épiRIL présentent une héritabilité importante. En dernier lieu, nous avons recherché par différentes approches les variations causales de ces QTL. / Loss or gain of DNA methylation can affect gene expression and is sometimes transmitted across generations. Such epigenetic alterations, which concern clusters of cytosines located near or within genes, are thus a source of heritable phenotypic variation in the absence of DNA sequence change. In plants however, DNA methylation targets repeat elements predominantly and it remains unclear to which extent DNA methylation changes over repeat sequences can be inherited and affect phenotypes. To address these issues, a population of near-isogenic, epigenetic Recombinant Inbred Lines (epiRILs) was generated in Arabidopsis thaliana. These were derived from a cross between a wild type and an isogenic ddm1 mutant line, in which DNA methylation is compromised specifically over repeat elements. After backcrossing of the F1 and selection of the progeny homozygous for wild-type DDM1, the epiRILs were propagated through six rounds of selfing. Analysis of the methylomes of more than 100 epiRILs and of the parents, indicates that ddm1-induced hypomethylation exhibit different patterns of inheritance through generations. Reversion of ddm1-induced hypomethylation is observed for regions associated with high level of 24 nt siRNA. Based on these findings, stable ddm1-induced hypomethylated regions were used to map quantitative trait loci (QTL) for flowering time and primary root length, two complex traits for which substantial heritable variation is observed in the epiRIL population. We finally analysed these QTL by different approaches to find their causal variations.

Des changements de méthylation de l'ADN peuvent affecter l'expression des gènes et pour certains être transmis au travers des générations. De telles " épimutations " qui concernent des groupes de cytosines à proximité ou dans les gènes sont donc une source potentielle de variation phénotypique héritable en absence de changements de la séquence de l'ADN. Chez les plantes la méthylation de l'ADN est cependant principalement observée au niveau des séquences répétées. Il reste à déterminer dans quelle mesure les changements de méthylation au niveau de ce type de séquences peuvent être héritées et affecter les phénotypes. Afin de répondre à ces questions, plus de 500 épiRIL (epigenetic Recombinant Inbred Lines) quasi-isogéniques a été générée chez Arabidopsis thaliana. Cette population a été obtenue par le croisement d'un parent sauvage et d'un parent mutant pour le gène DDM1 présentant une très forte réduction du taux de méthylation de l'ADN. Après un rétrocroisement de la F1 avec une plante sauvage, les individus sauvages pour le gène DDM1 ont été sélectionnés et propagées sur 6 générations par autofécondation. Nous avons montré par l'analyse du méthylome de plus de 100 épiRIL que l'hypométhylation induite par ddm1 présente selon les séquences affectées différents degrés de transmission au travers des générations. La réversion de l'hypométhylation concerne des régions associées à une abondance élevée en sRNA de 24 nt. Nous avons utilisé l'hypométhylation stablement transmise dans les épiRIL induite par ddm1 afin de détecter des QTL (Quantitative Trait Loci) affectant le temps de floraison et la longueur de la racine primaire, deux caractères pour lesquels les variations observées dans les épiRIL présentent une héritabilité importante. En dernier lieu, nous avons recherché par différentes approches les variations causales de ces QTL.