Transcriptional regulation in the dinoflagellates

Abstract

Les dinoflagellés sont une famille d'eucaryotes unicellulaires trouvés dans les écosystèmes marins et d'eau douce et sont d'importants producteurs primaires. Ils sont réputés pour plusieurs comportements distinctifs, notamment la formation de proliférations d'algues nuisibles appelées « marées rouges », l'émission de bioluminescence dans l'océan et leur contribution à la formation de récifs coralliens. Leur structure génomique est inhabituelle avec de grandes quantités d'ADN et des chromosomes condensés en permanence à toutes les étapes du cycle cellulaire. L’ADN est sans nucléosome et se trouve dans une structure de cristaux liquides. Plusieurs gènes sont codés dans de multiples répétitions situées dans des réseaux en tandem produisant des protéines pratiquement identiques sans aucun élément conservé détecté dans les régions présumées promotrices en amont de la séquence codante. Ces caractéristiques uniques rendent difficile à comprendre comment les cellules régulent l'expression des gènes. Cette thèse examine l’hypothèse que la régulation de transcription est difficile et peu utilisée chez les dinoflagellés. Les dinoflagellés présentent une rareté des facteurs de transcription, les protéines du domaine de choc froid (CSP) représentant la majorité des protéines de liaison à l'ADN potentielles dans le transcriptome de Lingulodinium polyedra et le génome de Symbiodinium kawagutii. Le potentiel des CSP de dinoflagellés à agir en tant que facteurs de transcription spécifiques à la séquence a été testé en utilisant des tests de déplacement de mobilité électrophorétique. Ces études ont révélé que quatre CSP différentes ont montré une préférence pour l'ARN par rapport à l'ADN simple et double brin. Une deuxième approche a examiné le ciblage de la séquence spécifique par des tests de sélection et de liaison d'amplification, et cela n'a révélé aucun motif consensus détectable dans la liaison à l'ADN. Nous concluons que les CSP dinoflagellés sont plus susceptibles de fonctionner comme des protéines de liaison à l'ARN que comme des facteurs de transcription. Il a été rapporté que l'expression de nombreux gènes chez plusieurs espèces de dinoflagellés était régulée par l'exposition à la lumière. Cela a été testé pour trois gènes, dont l'expression régulée par la lumière chez l'espèce formant des récifs Symbiodinium kawagutii. La régulation de ces gènes a été rapportée dans la littérature suggérant la possibilité d’identifier les éléments régulateurs dans le promoteur. Cependant, l'analyse par transfert de Northern n'a pas pu valider le modèle d'expression de ces trois gènes chez S. kawagutii. De plus, le séquençage d'ARN à haut débit a confirmé que ces trois gènes n'étaient pas induits par la lumière. Au total, seuls sept gènes ont été exprimés de manière différentielle à l'aube et au crépuscule en utilisant RNA-Seq, et tous étaient de moindre abondance à la fin de la période de lumière sur un 12: 12 cycle L: D. Trois des sept ont également été examinés en utilisant une analyse qPCR, et seule deux des trois ont pu être confirmés comme étant altérés, mais avec une différence de facteur inférieure à celle observée avec RNA-Seq. Nous en concluons qu'il y a peu de régulation lumineuse de l'expression génique dans cette espèce dinoflagellé. Dans l’ensemble, les études décrites ici appuient l’hypothèse que les dinoflagellés ont un moins grande dépendance sur la régulation transcriptionnelle que d’autres organismes.

Dinoflagellates are a large family of unicellular eukaryotes found in marine and freshwater ecosystems and are important primary producers in marine ecosystem. They are famous for several distinctive behaviors including forming harmful algal blooms called “red tides”, emission of bioluminescence in the ocean, and contributing to the formation of coral reefs. They have an unusual genome structure with large amounts of DNA and permanently condensed chromosomes throughout all stages of the cell cycle. The chromatin lacks observable nucleosomes and has a liquid crystal structure. Some genes are encoded in multiple repeats located in tandem arrays producing virtually identical proteins without any known conserved elements detected in the upstream promoter regions or intergenic spacers. These unique features make it difficult to understand how gene expression is regulated. This thesis describes two experimental tests for the hypothesis that transcriptional regulation is difficult and is not the primary means of regulating gene expression in dinoflagellates. Dinoflagellates show a paucity of transcription factors, and of these, cold shock domain proteins (CSPs) account for the majority of potential DNA binding proteins in the transcriptome. Here, the potential of dinoflagellate CSPs from free-living Lingulodinium polyedra and reef-forming Symbiodinium kawagutii (recently renamed to Fugacium kawagutii) to act as sequence specific transcription factors was tested. These studies using four different CSPs showed a preference for RNA over both single and double stranded DNA using electrophoretic mobility shift assays (EMSA). A second approach, testing for specific sequence binding by three cycles of selection and amplification binding (SAAB) did not enrich any consensus motif for any of the four proteins. We conclude dinoflagellate CSPs are more likely to function as RNA binding proteins than as transcription factors. Expression of many genes in many dinoflagellate species has been reported to be regulated by light. This was tested for three genes whose expression was reported to be light-regulated in Symbiodinium kawagutii. The availability of a genome sequence for this species suggested that it might be possible to identify potential regulatory elements in the promoter of these genes. However, Northern blot analysis was unable to confirm differential expression of these three genes over a 24 hour light-dark cycle. Furthermore, RNA-Seq of samples taken at the end of the day and night also indicated these three genes were not light-induced. In total, only seven genes were found to be differentially expressed at dawn and dusk using RNA-Seq in triplicate with a false discovery rate (FDR) of 0.1. All were of lower abundance at the end of the light period on a 12:12 L:D cycle suggesting possible repression by light. Three of these seven, picked at random, were examined using qPCR analysis. Only two of the three had lower abundance at the end of the day by this technique, and the fold difference was less than what was observed with RNA-Seq. We conclude from this that there is little light regulation of gene expression in this dinoflagellate species. Taken together, the studies described here support the hypothesis that dinoflagellates do not rely on regulation of genes at the transcriptional level to the same extent as other organisms.