Structure, Function and Evolution of LEAFY, a key transcription factor of flower development

LEAFY (LFY) est un facteur de transcription central pour le développement des plantes, en particulier pour la floraison chez les angiospermes. LFY est très conservée, même chez les espèces ne portant pas de fleurs. On dispose de nombreuses données génétiques sur LFY et son réseau de régulation chez la plante modèle Arabidopsis thaliana, mais les mécanismes moléculaires impliqués dans son fonctionnement ne sont pas entièrement élucidés. LFY possède deux domaines conservés : un domaine de liaison à l'ADN et un domaine de fonction inconnue en position N-terminal. L'objectif a été de comprendre le rôle du domaine N-terminal et d'étudier l'évolution de la spécificité de liaison à l'ADN de LFY. Nous avons obtenu la structure cristallographique du domaine N-terminal de LFY et découvert qu'il s'agissait d'un domaine SAM (Sterile Alpha Motif) permettant l'oligomérisation de la protéine. Nous avons validé l'importance de cette propriété pour la fonction florale de LFY chez A. thaliana. Nous avons ensuite montré, par des analyses in vitro et in vivo en ChIP-seq que l'oligomérisation influençait la liaison à l'ADN en permettant une liaison coopérative sur plusieurs sites de liaison, en assurant la sélectivité de la protéine vis-à-vis de l'ADN et en permettant l'accès de la protéine à des régions génomiques où la conformation de la chromatine est normalement défavorable à la liaison. Cette étude intégrative a permis de mieux comprendre le fonctionnement de LFY. Des modifications dans les réseaux de régulation de l'expression des gènes sont source de nouveauté et d'évolution. LFY étant très conservée et ne faisant pas partie d'une famille multigénique, nous nous sommes demandé si sa spécificité de liaison à l'ADN avait évoluée. Nous avons montré que LFY était apparue chez les algues multicellulaires et que sa spécificité avait connue au moins deux changements majeurs au cours de l'évolution. Nous avons expliqué ces modifications au niveau moléculaire par des approches de biologie structurale et de biochimie. Nous avons identifié une espèce chez qui LFY a une spécificité relâchée et nous proposons qu'une telle forme ait pu permettre les transitions d'une spécificité à une autre.LEAFY (LFY) is a key transcription factor for plant development, particularly for flowering in angiosperms. LFY is highly conserved in plants, including non-flowering species. Despite a wealth of genetic data about LFY and its regulatory network in the model plant Arabidopsis thaliana, how the protein works at the molecular level is not fully understood. It has two conserved domains: a DNA binding domain and a N-terminal domain of unknown function. My two main projects were to understand the role of the N-terminal domain and to study LFY DNA binding specificity evolution. We obtained LFY N-terminal domain crystal structure and discovered it was a Sterile-Alpha-Motif (SAM) mediating LFY oligomerisation. We validated the importance of that property for flower development in A. thaliana. Using both in vitro analyses and a ChIP-seq experiment, we pointed out that oligomerisation is required for proper DNA binding. It enables cooperative binding on several LFY binding sites, increases the protein selectivity towards DNA and allows LFY to access genomic regions where the chromatin conformation normally prevents binding. This integrative study provides a better understanding of how LFY works. The rewiring of transcriptional networks provides a rich source of evolutionary novelty. As LFY is highly conserved and single copy in most plant genomes, we asked whether its DNA binding specificity had evolved. We showed that LFY was present since multicellular algae and that it underwent at least two major shifts in DNA-binding specificity during plant evolution. We provided a structural explanation for the two newly identified DNA binding modes and we identified a LFY form with a relaxed specificity that could have served as an intermediate between evolutionary transitions