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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS Instituto de Biologia RAPHAEL RICON DE OLIVEIRA Regulação epigenética do neogene Qua-Quine Starch durante o desenvolvimento de Arabidopsis thaliana e o impacto no metabolismo de amido CAMPINAS 2015

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

Instituto de Biologia

RAPHAEL RICON DE OLIVEIRA

Regulação epigenética do neogene Qua-Quine Starch durante o desenvolvimento de

Arabidopsis thaliana e o impacto no metabolismo de amido

CAMPINAS

2015

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RAPHAEL RICON DE OLIVEIRA

Regulação epigenética do neogene Qua-Quine Starch durante o desenvolvimento de

Arabidopsis thaliana e o impacto no metabolismo de amido

Tese apresentada ao Instituto de Biologia

da Universidade Estadual de Campinas

como parte dos requisitos exigidos para

obtenção do Título de Doutor em Genética

e Biologia Molecular na área de Genética

Vegetal e Melhoramento.

Orientador: PROF. DR. MICHEL GEORGES ALBERT VINCENTZ

ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO

FINAL DA TESE DEFENDIDA PELO ALUNO

RAPHAEL RICON DE OLIVEIRA E ORIENTADA

PELO PROF. DR. MICHEL GEORGES ALBERT

VINCENTZ.

CAMPINAS

2015

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COMISSÃO EXAMINADORA

Membros Titulares:

Prof. Dr. Michel Georges Albert Vincentz (Orientador)

Prof. Dr. Juan Armando Casas-Mollano

Prof. Dr. Marcio Alves Ferreira

Profa. Dra. Camila Caldana

Prof. Dr. Jörg Kobarg

Membros Suplentes:

Prof. Dr. Paulo Cavalcanti Gomes Ferreira

Prof. Dr. Fábio Tebaldi Silveira Nogueira

Profa. Dra. Katlin Brauer Massirer

A Ata da Defesa assinada pelos membros da Comissão Examinadora consta no processo

de vida acadêmica do aluno.

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DEDICATÓRIA

A todos aqueles que não tiveram a oportunidade concreta de estudar, dedico.

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AGRADECIMENTOS

Hoje tenho a convicção de que não somos um ponto discreto, mas parte de uma

linha contínua e por vezes emaranhada. Essa tese não seria possível sem essa percepção, sem

o pensamento focado nas pessoas que amo e no ideal de mundo melhor. Algumas pessoas

entendem essa mensagem e caminham ao seu lado. Com essas pessoas gostaria de

compartilhar essa conquista e agradecer pela companhia. Começo agradecendo ao professor

Michel pela apresentação do empolgante tema e pela orientação. Agradeço à FAPESP, assim

como à população do estado de São Paulo, pelo financiamento do projeto. Aos membros da

banca e também aos colegas de laboratório pela disponibilidade, discussões e conhecimentos

compartilhados. A toda estrutura da Universidade Estadual de Campinas, funcionários e

professores. Em especial, agradeço minha esposa Thaís, pela paciência, companheirismo,

conselhos e carinho em todos os momentos durante esses últimos anos. Aos meus avós pelas

posturas corajosas e exemplos de garra perante as adversidades impostas pela vida. A minha

mãe, uma fonte de ideias e bondade que irá sempre me inspirar. Ao meu pai, pelo exemplo de

fortaleza e tranquilidade. Aos meus irmãos e amigos (talvez não haja distinção entre essas

duas palavras e incluo os cachorros Churrasco e Pinga nesse grupo) pelo prazer da

convivência e boas risadas para sempre guardadas no coração. Termino agradecendo a todos

os envolvidos de alguma forma nessa aventura e reforço o que não pode ser descrito, numa

tentativa tosca de descrever algo que apenas pode ser sentido, minha gratidão.

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RESUMO

Metilação do quinto carbono da citosina do DNA é uma marca epigenética que pode afetar a

expressão gênica. A regulação de perfis de metilação é importante para o desenvolvimento

normal das plantas sendo crítica para o silenciamento de transposons, imprinting,

gametogênese e o desenvolvimento inicial do embrião. Entretanto, como metilações de

sequências regulatórias em cis afetam a interação entre o DNA e fatores em trans associados

ao desenvolvimento para modular a expressão gênica é ainda pouco compreendida. Qua-

Quine Starch (QQS) é um gene órfão de Arabidopsis thaliana que existe sob diversas formas

epialélicas estavelmente herdadas e com níveis de expressão correlacionados inversamente

com os níveis de metilação em seu promotor e 5’UTR. Por meio de análises da expressão do

gene marcador GUS sob o controle da sequência do promotor e da região 5’UTR de QQS em

linhagens transgênicas de Arabidopsis, inferimos o potencial de expressão de QQS nos vários

órgãos e várias fases do desenvolvimento. A atividade GUS foi detectada em meristemas,

folhas jovens de roseta e no pólen onde uma reprogramação epigenética deste gene foi

descrita. Epialelos contrastantes de QQS apresentaram expressão diferencial ao longo do

desenvolvimento. O epialelo QQS metilado (QQSme

) possui diferenças marcantes de

expressão entre folhas, tecidos da inflorescência e fruto, enquanto o epialelo demetilado

Col*3-2 apresenta uma expressão mais homogênea entre esses vários órgãos. Estes resultados

indicam que o grau de metilação das sequências regulatórias de QQS interage com fatores

associados ao desenvolvimento para estabelecer o perfil de expressão deste gene. A expressão

de QQSme

aumenta durante o processo de envelhecimento das folhas e foi correlacionada a

uma demetilação no lócus. Levantamos a hipótese de que o perfil de metilação de QQSme

poderia sofrer uma reprogramação durante o desenvolvimento das folhas a partir do

meristema vegetativo. Tal reprogramação poderia ocorrer de maneira ativa, mediada pela

DNA glicosilase ROS1, ou passiva, como consequência da ausência ou falha do mecanismo

de manutenção do padrão de metilação durante ciclos de replicação celular. De acordo com

isso, mostramos que expressão de QQSme

é baixa em amostras enriquecidas com células

meristemáticas e aumenta gradativamente com a idade das folhas e uma redução dos níveis de

metilação de QQSme

foi observada em folhas mais velhas. Em alguns órgãos foram

encontradas variações nos níveis de expressão de QQS não correlacionadas a variações nos

níveis de metilação. Assim, os resultados também mostram que além da metilação outros

fatores trans associados ao desenvolvimento são necessários para modular a expressão de

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QQS. O processo de demetilação de QQSme

em folhas velhas não é totalmente dependente de

ROS1. Porém, os níveis e padrão de expressão de QQS em mutantes ros1 são diferentes de

plantas wild-type e uma análise da expressão de QQS numa população F2 resultante da

autofecundação de um híbrido entre wild-type e o mutante ros1-4 revelaram que ROS1

aparentemente regula a expressão global de QQS. Dessa forma, as metilações do DNA

parecem atuar como sinalizadores de sítios de ligação para fatores trans e ROS1 pode ser

importante para regular e/ou definir estados epialélicos de QQS. Além disso, durante o

desenvolvimento reprodutivo a expressão de QQS é detectada no pólen e correlaciona com a

demetilação ativa de seu lócus mediada por DEMETER reforçando o fato de que QQS é um

alvo de DNA glicosilases. Durante o desenvolvimento vegetativo QQS é descrito como um

regulador negativo do metabolismo de amido. De acordo com isso, verificamos que plantas

carregando epialelos QQS contrastantes acumulam diferentes quantidades de amido.

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ABSTRACT

DNA methylation of the fifth carbon of cytosine is an epigenetic mark that may affect gene

expression. The regulation of methylation profiles is important for normal plant development

being critical for transposon silencing, imprinting, gametogenesis and early embryo

development. However, how methylation of cis regulatory sequences affect the interaction

between DNA and developmental associated trans factors to modulate gene expression is

poorly understood. Qua-Quine Starch (QQS) is an orphan gene of Arabidopsis thaliana which

exhibits several epiallelic forms stably-inherited and their expression levels correlate

inversely with the methylation levels at the promoter and 5’UTR. Through the expression

analyses of the GUS reporter gene under the control of a QQS promoter sequence and QQS

5’UTR in Arabidopsis transgenic lines, we inferred the potential of QQS expression in various

organs and at several developmental stages. The GUS activity was detected in meristems,

young rosette leaves and pollen where an epigenetic reprogramming of this gene has been

described. Contrasting QQS epialleles presented different expression patterns during

development. The methylated QQS epiallele (QQSme

) showed more pronounced expression

differences between leaves, inflorescence tissues and fruit, whereas the demethylated Col*3-2

epiallele presented a more homogeneous expression between this various organs. These

results indicate that the methylation level of QQS cis regulatory sequence interacts with

developmental-related factors to establish the expression profile of this gene. QQSme

expression increases during aging of leaves and was correlated with demethylation. We

hypothesized that the QQSme

methylation profile could be reprogrammed during leaf

development starting from the shoot apical meristem. Such process could be controlled by the

DNA glycosilase ROS1, or be passive, as a consequence of the absence or failure in the

maintenance mechanisms of the methylation pattern during cell replication. Accordingly, we

showed that the QQSme

expression is low in samples enriched in meristematic cells and

increases progressively with leaf aging and reduction of QQSme

methylation levels was

observed in older leaves. In some organs, QQS expression variations not correlated with

variation in the methylation levels were found. Thus, the results indicate that in addition to

DNA methylation developmental associated trans factors are also necessary to modulate QQS

expression. The demethylation process of QQSme

in old leaves is not totally dependent upon

ROS1. However, the levels and pattern of QQS expression in ros1 mutants are different from

those in wild-type plants and the analysis of a segregating F2 population coming from selfing

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of a hybrid between the wild-type and ros1-4 mutant revealed that ROS1 regulates the global

expression level of QQS. Therefore, DNA methylation seems to act as traffic lights of binding

sites to the trans factors and ROS1 may be important to regulate and/or define QQS epiallelic

states. Furthermore, during the reproductive development the expression of QQS is detected

in the pollen and correlates with the active demethylation of its locus mediated by

DEMETER, which reinforces the fact that QQS is a target of DNA glycosilases. During

vegetative development QQS has been described as a negative regulator of starch metabolism.

We verified that plants carrying contrasting QQS epialleles accumulate different starch

quantities.

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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

5’UTR: região não traduzida da extremidade 5’ do RNA mensageiro

CTAB: cetyltrimethylammonium bromide

DEPC: diethylpyrocarbonate

epiRILS: Epigenetic recombinant inbred lines

mC: methylated cytosine

McrBC: endonuclease capaz de clivar DNA contendo citosina metilada

PcG: Polycomb Group

Pol: RNA polimerase

QQS:GUS: regiões promotora e 5’UTR de QQS fusionadas ao gene repórter GUS

QQSme: epialelo de QQS contendo altos níveis demetilação de DNA

qRT-PCR: quantitative real-time polymerase chain reaction

RdDM: RNA-directed DNA methylation

RNAi: RNA de interferência

ros1-4: mutante para DNA glicosilase ROS1

SAM: Shoot Apical Meristem

siRNA: small interfering RNA

TE: Transposable Elements

TF: Transcription Factors

TFBS: Transcription Factors Binding Sites

TrxG: Trithorax Group

wt: wild-type

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SUMÁRIO

INTRODUÇÃO ...................................................................................................................... 13

O que é epigenética? .......................................................................................................... 13

Mecanismos de regulação epigenética .............................................................................. 16

Importância das metilações do DNA para o desenvolvimento e adaptação vegetal ......... 27

QQS, um gene órfão e provocador .................................................................................... 30

OBJETIVO ............................................................................................................................. 33

RESULTADOS E DISCUSSÃO ........................................................................................... 34

Manuscrito “Developmental expression pattern of QQS is influenced by DNA

methylation: involvement of ROS1 and impact on starch metabolism”. .......................... 34

Material suplementar do manuscrito ................................................................................. 66

CONCLUSÃO ......................................................................................................................... 81

PERSPECTIVAS .................................................................................................................... 82

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 84

ANEXOS ................................................................................................................................. 93

Anexo I – Primeira página do artigo publicado “An efficient method for simultaneous

extraction of high-quality RNA and DNA from various plant tissues” ............................ 93

Anexo II – Declaração de Bioética e Biossegurança......................................................... 94

Anexo III – Declaração referente aos direitos autorais ..................................................... 95

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INTRODUÇÃO

O que é epigenética?

No início do século XX as disciplinas biologia do desenvolvimento e genética

eram estudadas separadamente. A grande pergunta vigente na época entre os pesquisadores

dessas áreas era como uma célula (zigoto) contendo o mesmo material genético poderia dar

origem a diferentes tipos celulares durante o desenvolvimento para formar o organismo. A

solução conceitual desta questão foi dada por Conrad Hal Waddington que imaginou a

existência de um mecanismo além ou acima dos genes controlando a leitura da sequência

codificada no DNA (Waddington, 1942). Tal mecanismo originaria produtos gênicos e

funções variáveis entre as células determinando o desenvolvimento e o fenótipo. Assim, ele

foi o primeiro a associar as duas disciplinas em questão cunhando o termo epigenética, que

significa literalmente acima (epi) da genética, se referindo à clássica teoria da epigenesis

proposta por Aristóteles para explicar o desenvolvimento do organismo a partir de um

embrião indiferenciado (Aristotle, 1979).

Originalmente, o termo epigenética foi cunhado por Waddington para se referir ao

“estudo dos mecanismos causais pelos quais os genes que compõem o genótipo trazem à tona

efeitos fenotípicos” (Waddington, 1942). Essa definição traz a essência do que é epigenética,

a conexão entre genótipo e fenótipo como um fenômeno que modifica o resultado final de um

lócus ou cromossomo sem mudar a sequência do DNA subjacente (Goldberg et al., 2007).

Assim, Waddington previu que a diferenciação celular seria um fenômeno epigenético

amplamente governado pelo contexto, tais como, informações fornecidas pelos genes,

comunicações entre células e sinais do ambiente (Goldberg et al., 2007; Kinoshita e Jacobsen,

2012), e usou a metáfora das “paisagens epigenéticas” para ilustrar essa ideia (Waddington,

1957). Tais paisagens montanhosas representam o percurso de uma célula ao longo do

desenvolvimento o que leva a diferentes destinos celulares (Fig. 1A). A superfície dessas

paisagens seria distorcida por fatores epigenéticos, além dos genes e suas interações,

formando vales e morros atrativos para a célula e resultando em estados fenotípicos, um

processo que foi chamado de canalização (Fig. 1B).

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Figura 1. Paisagem epigenética descrita por Waddington (1957). A) Paisagens

montanhosas representando os possíveis percursos de uma célula indiferenciada (esfera na

figura) durante o desenvolvimento o que leva a diferentes destinos celulares ou diferenciação.

B) Canalização, processo no qual a superfície da paisagem é distorcida por fatores

epigenéticos, genéticos e suas interações (pontos e linhas interligadas na figura) formando os

vales e morros atrativos para a célula e representando os estados fenotípicos. Figuras

modificadas de Waddington, 1957.

Com o avanço das pesquisas surgiram outras definições para o termo epigenética,

sendo este um motivo de grande debate dependendo da área em que é empregado (Hollyday,

2006). Pesquisadores das áreas de biologia do desenvolvimento e câncer costumam dar ênfase

ao critério da herdabilidade mitótica, por considerarem a fidelidade do fenótipo celular após a

divisão uma questão crítica para diferenciação de tecidos (Sweatt et al., 2013). Assim,

preferem definir epigenética como o estudo de alterações na atividade gênica herdáveis

mitótica e/ou meioticamente que não podem ser explicadas por mudanças na sequência de

DNA (Russo et al., 1996). Entretanto, o termo epigenética também é utilizado para descrever

processos não herdáveis, por exemplo, modificações transientes de histonas, e por isso pode

ser definido num sentido mais amplo como a adaptação estrutural de regiões da cromatina

para registrar, sinalizar ou manter estados de atividade alterados (Bird, 2007). O tema comum

entre essas definições é a existência de um mecanismo para armazenar e perpetuar uma

memória ao nível celular (Sweatt et al., 2013), sendo a definição de Russo et al. (1996) mais

amplamente aceita.

Fisicamente, alterações epigenéticas são marcas químicas no DNA ou histonas

que contribuem para compactação, estruturação, organização e atividade da cromatina. Dentre

essas marcas, uma das mais importantes e estudadas é a metilação, sendo a ligação covalente

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de um grupo metil (-CH3), principalmente encontrada no quinto carbono da citosina no caso

do DNA, ou em aminoácidos específicos formando caudas no caso de histonas (Fig. 2).

Entretanto, metilações também são observadas em adenina e no domínio globular de histonas.

Tais marcas alteram a força de ligação entre DNA e histonas que formam o nucleossomo,

bem como a interação entre histonas e nucleossomos, participando na compactação da

cromatina (Sarma e Reinberg, 2005; Klose e Bird, 2006; Kouzarides, 2007). Além disso, as

metilações são reconhecidas por fatores associados à transcrição e remodelação da cromatina

e regulam a acessibilidade em lócus específicos do DNA (Schuettengruber et al., 2007;

Zemach e Grafi, 2007). Dessa maneira, enquanto o genoma é definido pelo conjunto de genes

codificados pelo DNA, o epigenoma é definido pela soma das histonas associadas à cromatina

com o padrão de metilação do DNA, que definem a estrutura tridimensional dentro do núcleo

e interconecta os genes ao ambiente (Fig. 2; Sweatt et al., 2013).

Figura 2. Metilação do DNA e histonas. As metilações do quinto carbono da citosina DNA

ou de histonas são marcas epigenéticas que contribuem para formação da cromatina e

influenciam a atividade dos genes ao longo do desenvolvimento e em resposta a sinais

ambientais. Figura modificada de http://commonfund.nih.gov/epigenomics/figure.

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Mecanismos de regulação epigenética

Análises do perfil global de metilação do genoma (metiloma) de Arabidopsis

indicaram que 6-7% das citosinas são metiladas e ocupam cerca de 20% das regiões

cromossômicas (Cokus et al., 2008; Lister et al., 2008). As metilações ocorrem em três

diferentes contextos de sequência, CG, CHG e CHH (onde H é igual a A, T ou C),

distribuídas principalmente em regiões hererocromáticas ricas em transposons e elementos

repetitivos (Fig. 3). Além disso, as metilações também afetam cerca de um terço dos genes

ocorrendo em 5% das sequências promotores e em 20-30% das regiões transcritas, chamada

de corpo do gene (Zhang et al., 2006; Zilberman et al. 2007). Em geral, a metilação no corpo

dos genes apresenta um padrão bell shape ausente nas extremidades 5’e 3’o que sugere

interferência na expressão e seleção negativa (Zhang et al., 2006; Zilberman et al. 2007).

Dois padrões principais de metilação são observados em plantas. Um deles é

caracterizado por altos níveis de metilação em todos os contextos de sequência ocorrendo

principalmente em transposons e genes localizados em regiões heterocromáticas, enquanto o

outro é caracterizado por metilações do tipo CG no corpo de genes localizados em regiões

eucromáticas (Feng e Jacobsen, 2011). Esses padrões estão relacionados a funções distintas,

pois, o primeiro está associado à repressão transcricional constituindo o principal mecanismo

de controle da atividade de transposons para garantir a integridade do genoma (Zemach et al.,

2010). Já o segundo está associado à ativação da expressão ao invés de silenciamento devido

sua preferência por genes moderada ou constitutivamente expressos (Zilberman et al., 2007).

De acordo com isso, plantas mutantes para enzimas envolvidas na regulação da metilação

apresentam reativação transcricional e aumento da atividade de elementos transponíveis

(Zhang and Jacobsen, 2006; Slotkin and Martiessen, 2007; Slotkin et al., 2009; Zemach et al.,

2010). Análises recentes do metiloma de outras espécies revelaram a mesma tendência

sugerindo conservação da função da metilação entre as angiospermas (Regulski et al., 2013;

Zhong et al., 2013; Schmitz et al., 2013). Entretanto, as proporções e distribuição das

metilações ao longo do genoma variam de acordo com a espécie, em geral, aumentando com o

tamanho do genoma em consequência da maior quantidade de elementos transponíveis (Fig.

3; Mirouze e Vitte, 2014). Isso evidencia que a organização do genoma e a composição de

elementos repetitivos e de transposição modelam em parte o metiloma e vice-versa.

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Figura 3. Perfis de metilação do DNA em diferentes espécies de angiospermas. A)

Porcentagem de metilcitosinas presentes no genoma de diferentes espécies em cada contexto

de sequência, CG, CHG, CHH (H = A, T ou C). Os valores foram calculados em relação ao

número total de citosinas em cada contexto. B) Distribuição das metilcitosinas nos diferentes

contextos ao longo do cromossomo 3 e 12 de Arabidopsis thaliana e Oriza sativa japonica,

respectivamente. C) Densidade de elementos repetitivos nos mesmos cromossomos

apresentados em B. Em A. thaliana, a região de maior pico corresponde ao centrômero.

Figuras modificadas de Mirouze e Vitte, 2014.

Marcas epigenéticas podem ser colocadas e remodeladas durante a determinação

do destino e identidade celular servindo como um sistema de armazenamento da informação

para perpetuar essa identidade ao longo da vida. Em plantas, o padrão de metilação do DNA é

inicialmente estabelecido sobre transposons e sequências repetitivas em todos os contextos

pela atividade de novo da DNA metiltransferase DOMAINS REARRANGED

METHYLTRANSFERASE2 (DRM2) em uma via conhecida como RNA-directed DNA

methylation (RdDM; Matzke et al., 2009). A RdDM é uma via complexa e não totalmente

compreendida que envolve diversas enzimas sendo elas, principalmente, componentes da

maquinaria de RNA interferente (RNAi), metiltransferases e remodeladores de cromatina

(Fig. 4; Pikaard et al. 2012; Matzke e Mosher, 2014). O modelo canônico proposto por

Pikaard et al. (2012) e adaptado por Matzke e Mosher (2014) para via RdDM descreve que,

inicialmente, transcritos gerados por RNA polimerase IV (Pol IV) são sintetizados em RNAs

de fita dupla (dsRNAs) pela enzima RNA-DEPENDENT RNA POLYMERASE 2 (RDR2)

com o auxílio do remodelador de cromatina CLASSY 1 (CLSY1). Os dsRNAs são

processados em pequenos RNAs de 24 nucleotídeos (siRNAs) pela enzima DCL3 (DICER-

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LIKE3) no citoplasma e metilados em sua extremidade 3’ pela enzima HUA ENHANCER 1

(HEN1). Uma das fitas metiladas de siRNA é incorporada a ARGONAUTA 4 (AGO4) e o

complexo reimportado para o núcleo, onde reconhece por complementariedade transcritos

recém originados pela RNA polimerase V (Pol V). AGO4 é recrutada para o locus por meio

de interações com regiões da subunidade maior de Pol V e KOW DOMAIN-CONTAINING

TRANSCRIPTION FACTOR 1 (KTF1). A enzima RNA-DIRECTED DNA

METHYLATION 1 (RDM1), capaz de se ligar a fita simples de DNA (Gao et al., 2010),

conecta AGO4 com DRM2 que, por sua vez, catalisa a metilação de novo do DNA.

Outras enzimas também participam da via RdDM. Por exemplo, SUVH2 e

SUVH9 se ligam ao DNA metilado e contribuem para o recrutamento de Pol V (Johnson et

al., 2014; Liu et al., 2014). Já a transcrição pela Pol V é promovida pela ação do complexo

DDR, constituído pelas enzimas DEFECTIVE IN RNA-DIRECTED DNA METHYLATION

1 (DRD1), que ajuda na separação das fitas de DNA e, RDM1 e DEFECTIVE IN

MERISTEM SILENCING 3 (DMS3) que auxiliam na estabilização do lócus (Zhong et al.,

2012). Além disso, transcritos Pol V auxiliam o posicionamento dos nucleossomos por se

ligarem ao complexo INVOLVED IN DE NOVO 2/IDN2 PARALOGUE (IDN2/IDP) que,

por sua vez, interage com o complexo remodelador da cromatina SWI/SNF e, assim,

influenciam na formação da heterocromatina (Fig. 4; Finke et al., 2012; Zhu et al., 2013).

Metilações do DNA interagem com histonas modificadas em um mecanismo auto-regulatório

que garante o reforço das marcas epigenéticas e a estrutura da cromatina (Bernatavichute et

al. 2008; Ito et al. 2015).

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Figura 4. Modelo canônico da via RdDM (RNA-directed DNA methylation). O modelo

apresenta a via RdDM para metilação de novo de regiões específicas do DNA. A via conta

com diversas enzimas e uma complexa rede de interações. Em resumo, o modelo descreve

que transcritos gerados pela Pol IV são copiados em RNA fita dupla pela enzima RDR2 e

processados em pequenos RNAs de 24 nucleotídeos (siRNAs) pela enzima DCL3 (painel da

esquerda). Uma das fitas do siRNA é incorporada a AGO4 e o complexo se liga por

complementariedade a transcritos recém originados pela Pol V. RDM1 conecta AGO4 a

DRM2 que, por sua vez, catalisa a metilação de novo do DNA qualquer contexto de sequência

(painel do meio). Transcritos da Pol V auxiliam o posicionamento dos nucleossomos por se

ligarem ao complexo IDN2/IDP que interage com o complexo remodelador da cromatina

SWI/SNF e, assim, influenciam na formação da heterocromatina (painel da direita). Maiores

detalhes das enzimas envolvidas e suas funções estão disponíveis no texto. Figura modificada

de Matzke e Mosher, 2014.

Após estabelecimento, o padrão de metilação nos contextos simétricos CG e CHG

é mantido de maneira semiconservativa e independente de siRNAs durante os ciclos

subsequentes de replicação celular (Fig. 5; Law e Jacobsen, 2010). As enzimas responsáveis

por esse processo são chamadas de metiltransferases de manutenção. Elas atuam na fita de

DNA hemimetilada de maneira preferencial em cada contexto restabelecendo as modificações

presentes em uma das fitas para a fita recém-formada. No contexto simétrico CG, a

perpetuação da metilação é realizada pela METHYLTRANSFERASE1 (MET1; Kankel et al.,

2003) em um processo que depende da remodelação da cromatina mediada por DECREASED

IN DNA METHYLATION1 (DDM1) para acesso ao DNA (Zemach et al., 2013). A

manutenção das metilações CG em plantas também requer a atividade de proteínas da família

Variant In Methylation (VIMs; Liu et al. 2007; Kraft et al., 2008). VIMs se ligam

preferencialmente ao DNA hemimetilado in vitro e possuem domínios SET- e RING-

associated (SRA) que estão relacionados ao reconhecimento de metilcitosinas (Yao et al.,

2012). Assim, foi sugerido que VIMs atuem no recrutamento de MET1 para sítios CG, uma

vez que MET1 não apresenta um módulo de ligação a metilcitosinas (Shook e Richards,

2014). VIMs e MET1 regulam a transcrição de alvos similares indicando fortemente que

VIMs regulam a expressão genica exclusivamente atuando como cofatores de MET1 (Shook e

Richards, 2014).

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Já no contexto CHG, a metilação é mantida pela enzima

CHROMOMETHYLASE 3 (CMT3; Cao e Jacobsen, 2002) e no contexto CHH, que não

conta com simetria de sequência, a manutenção depende de siRNAs e da via RdDM para seu

reestabelecimento de novo (Chan et al., 2005). Entretanto, estudos recentes indicam que

metilação CHH também pode ser mantida na ausência de siRNAs pela ação da enzima

CHROMOMETHYLASE 2 (CMT2). As ações de CMT2 e CMT3 (CMTs) são favorecidas

pela metilação da lisina 9 da histona H3 (H3K9me; Zemach et al., 2013; Stroud et al., 2014)

catalisada pela metiltransferase SUVH4, também conhecida como KRYPTONITE (KYP;

Jackson et al., 2002). SUVH4 por sua vez é recrutada para cromatina pelas metilações CHG e

CHH (non-CG) evidenciando um mecanismo auto-regulatório positivo entre metilação de

histonas e metilação do DNA para manutenção de marcas epigenética (Du et al., 2012; Stroud

et al., 2014). Além disso, tem sido demonstrado que múltiplas metiltransferases e enzimas

relacionadas contribuem para preservação da metilação nos três contextos de sequência,

atuando de maneira auto-regulatória e reforçando a atividade umas das outras (Zemach et al.,

2013; Stroud et al., 2013).

Figura 5. Manutenção dos padrões de metilação nos três contextos de sequência após

replicação celular. Após replicação do DNA, as fitas filhas hemimetiladas são alvo da ação

das metiltransferases de manutenção que restabelecem as marcas na nova fita sintetizada. As

metilações de citosinas no contexto simétrico CG e CHG são mantidas por MET1 e CMT3,

respectivamente, enquanto metilações CHH, que não contam com a simetria de sequência, são

restabelecidas de novo pela DRM2 e a via RdDM. Outras enzimas também participam desse

processo conforme descrito em maiores detalhes no texto. Figura modificada de Teixeira e

Colot, 2010.

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A metilação do DNA é considerada uma marca epigenética mitótica e

meióticamente estável, entretanto, níveis reduzidos são observados durante a gametogênese e

embriogênese de plantas e animais, demonstrando que o perfil de metilação pode ser

reprogramado (Law e Jacobsen, 2010). Atuando em oposição aos mecanismos de

estabelecimento e manutenção da metilação no DNA, existem mecanismos de demetilação

que moldam de forma dinâmica escapes epigenômicos e permitem a expressão de genes (Feng

et al., 2010). Tais processos são importantes, por exemplo, para imprinting parental e reseting

de marcas epigenética adquiridas ao longo da vida. A perda de metilação pode ocorrer

passivamente, por replicação celular na ausência ou deficiência de vias de manutenção, ou

ativamente pela remoção de citosinas metiladas realizada por enzimas específicas (Zhu et al,

2009; Law e Jacobsen, 2010).

Em plantas, a demetilação ativa é promovida pela atividade de DNA glicosilases

associadas à via de reparo de bases excisadas (Zhu, 2009). DEMETER (DME) e

REPRESSOR OF SILENCING1 (ROS1) são os membros fundadores da família de DNA

glicosilases encontradas em A. thaliana (Choi et al., 2002; Gong et al., 2002), que também

incluem DML2 e DML3 (Fig. 6A; Penterman et al., 2007a). As DNA glicosilases são

enzimas bifuncionais que removem citosinas metiladas e causam uma quebra na fita de DNA

(Agius et al., 2006). Essa lacuna no DNA é catalisada pelas AP endonucleases APE1L e ZDP,

gerando uma extremidade 3’-OH que permite a atividade de uma DNA polimerase e ligase

ainda desconhecidas para incorporação da nova citosina (Fig. 6B; Li et al. 2015c). APE1L e

ROS1 interagem in vitro e co-localizam in vivo, sugerindo fortemente a formação de

complexos que coordenam suas atividades (Li et al., 2015c). De acordo com isso, os mutantes

ros1 e rdd (o triplo mutante ros1, dml2 e dml3), assim como ape1l e zdp, apresentam aumento

da metilação em todos os contextos de citosinas, um fenômeno descrito como hipermetilação

(Gong et al., 2002; Agius et al., 2006; Penterman et al., 2007a; Li et al. 2015c).

DME e ROS1 apresentam papeis biológicos distintos, sendo DME

preferencialmente expresso na célula central do gametófito feminino e na célula vegetativa do

pólen (Choi et al., 2002; Schoft VK et al., 2011), enquanto ROS1 é expresso em quase todos

os tecidos vegetais (Gong et al., 2002). Em Arabidopsis, DME demetila o alelo maternal de

genes imprintados no endosperma, por exemplo, FWA (FLOWERING WAGENINGEN), MEA

(MEDEA) e FIS2 (FERTILIZATION-INDEPENDENT SEED 2), entre outros (Hsieh et al.,

2009; Ikeda, 2012). Essa demetilação é necessária para expressão do alelo maternal e o

desenvolvimento normal do embrião, já que mutantes dme resultam na letalidade da semente

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(Choi et al., 2002). Entretanto, estudos recentes indicam que a função basal de DME seja a

reativação de transposons em células companheiras tanto do gametófito feminino quanto

masculino (Calarco et al., 2012; Ibarra et al., 2012). Esse mecanismo atuaria como um

sistema imune para ativar a produção de siRNAs e reforçar o silenciamento de transposons

nos gametas. As demais DNA glicosilases também parecem contribuir nesse processo

(Calarco et al., 2012).

Em contrapartida, ROS1 atua na demetilação de regiões que flanqueiam os genes

evitando a dispersão da metilação a partir de transposons próximos e um possível

silenciamenteo ocasional (Penterman et al., 2007b; Zhu et al., 2007). DML2 e DML3 atuam

no mesmo sentido, mas ficam à margem de ROS1 uma vez que são bem menos expressos

(Zhu et al., 2009). Diversos estudos indicam que a demetilação ativa ocorre em loci

eucromáticos e seria um mecanismo para equilibrar a ação da via RdDM (Penterman et al.,

2007b; Zhang e Zhu, 2012; Matzke e Mosher, 2014). De acordo com isso, muitos

componentes da via RdDM estão desregulados em mutantes ros1 e, analogamente, mutantes

relacionados a RdDM apresentam expressão reduzida de ROS1 (Zhang e Zhu, 2012).

Recentemente, foi revelado que RdDM e ROS1 interagem para balancear os níveis de

metilação do epigenoma (Lei et al., 2015; Williams et al., 2015). Estes trabalhos mostraram

que as vias de RdDM e de demetilação ativa atuam fortemente em transposons próximos ao

lócus de ROS1 e que a expressão de ROS1 é promovida pela metilação e antagonizada por

demetilação, em contraste a maioria dos alvos típicos metilados (Fig. 6C). Dessa forma, o

lócus de ROS1 funciona como um reostato epigenético sintonizando a atividade de

demetilação em resposta a alteração dos níveis de metilação para, assim, garantir a

estabilidade do genoma. Também foi demonstrado que essa expressão de ROS1 sensível a

metilação é conservada em outras espécies, sugerindo ser uma característica importante para

adaptação (Williams et al., 2015).

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Figura 6. DNA glicosilases e mecanismos de funcionamento. A) Esquema mostrando a

estrutura dos genes que compõem a família de DNA glicosilases (DMLs) de Arabidopsis

thaliana. Regiões retangulares correspondem aos éxons e linhas aos introns. Éxons azuis

codificam o domínio helix–hairpin–helix, rosa e amarelo codificam outros domínios

conservados enquanto pretos domínios não conservados entre as DMLs. Os locais de inserção

de T-DNA ros1–3, ros1–4, ros1–5, dml2–1, e dml3–1 são indicados pelos triângulos. Figura

modificada de Penterman et al., 2007a. B) Esquema mostrando a via de demetilação ativa.

Nesse modelo ROS1 é bifuncional removendo citosina metilada e clivando o sítio abásico do

esqueleto de DNA por meio da β ou βδ eliminação. Esse processo resulta numa lacuna com

terminação PUA ou fosfato (P) em uma das fitas de DNA que é catalisada por APE1L or ZDP

e substituída por uma hidroxila (-OH). Assim, essa lacuna pode ser preenchida por uma

citosina não metilada pela ação de uma DNA polymerase e DNA ligase ainda não

identificadas (representadas por “?” na figura). Figura modificada de Li et al., 2015c. C)

Esquema mostrando que a regulação de ROS1 por metilação do DNA atua como um reostato

epigenético. O esquema resume o papel de RdDM e ROS1 no lócus de ROS1 (auto-regulação)

e em um outro alvo genômico metilado. Ao contrário de genes típicos, cuja diminuição dos

níveis de metilação está relacionada ao aumento de expressão, a demetilação no lócus de

ROS1 reduz sua própria expressão antagonizando a via RdDM. Isso garante que um balanço

das atividades de metilação e demetilação seja mantido no genoma. Os símbolos “+” e “-”

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denotam um efeito positivo e negativo respectivamente na expressão dos genes. Figura

modificada de Williams et al., 2015.

Todas as DNA glicosilases contém uma região N-terminal rica em lisina sendo

demonstrado em ROS1 que essa região é necessária para ligação ao DNA e ocorre de maneira

independente da metilação (Ponferrada-Marin et al., 2010; Ponferrada-Marin et al., 2012). A

hipermetilação dos mutantes ros1 e rdd ocorre em loci específicos, não sendo observado

alterações substanciais nos níveis globais (Penterman et al., 2007a; Lister et al., 2008), o que

sugere a atuação de mecanismos direcionando as DNA glicosilases (Zhu et al., 2007; Zhu,

2009). Em mutantes de Arabidopsis para as polimerases Pol IV e V, a produção de siRNAs

heterocromáticos de 24 nucleotídeos é reduzida, coincidindo com maiores níveis de metilação

em alguns loci correspondentes (Mosher et al., 2008). Isso indica que esse tipo de siRNA guia

a demetilação ativa e que Pol IV e V estão envolvidas nesse processo (Zhu, 2009). De acordo

com isso, foi descrita uma associação de ROS1 com ROS3, uma enzima RNA-binding

envolvida na demetilação ativa e capaz de incorporar siRNAs que reconheceriam regiões do

DNA por complementariedade (Zheng et al., 2008). Mecanismos similares têm sido descritos

em animais, no qual siRNAs direcionados ao promotor parecem ativar a expressão de certos

genes (Janowski et al., 2007). Este processo foi relacionado à demetilação e referido como

RNA-directed DNA demethylation (Zhu, 2009). Interessantemente, siRNAs também são

necessários para atividade RdDM, reforçando que mecanismos de metilação e demetilação

compartilham componentes e estão estreitamente relacionados.

Embora seja bem estabelecida a interdependência entre metilação do DNA e

transcrição (Zhang et al., 2006; Zilberman et al., 2007), como as metilações afetam a

acessibilidade de fatores de transcrição (FTs) ao DNA é um tema pouco compreendido. Ainda

não se sabe quando a alteração da metilação é causa ou consequência da alteração da

expressão (Teixeira e Colot, 2009; Medvedeva et al., 2014). Se as metilações são a causa,

então poderiam afetar diretamente a afinidade de FTs aos seus sítios de ligação ou,

alternativamente, atrair fatores remodeladores de cromatina interferentes. Se a metilação é

uma consequência da transcrição, então modificações da cromatina poderiam reduzir o acesso

dos FTs e da maquinaria de transcrição ao DNA, e a metilação serviria para fixar o estado da

cromatina (Medvedeva et al., 2014). Nesse caso, a metilação do DNA seria acumulada

passivamente como resultado da ausência de ligação de FTs (Wang et al., 2012) ou

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diretamente pelo recrutamento de DNA metiltransferases por proteínas associadas a

modificações de histonas específicas (Vire et al., 2006).

Estudos recentes mostram que a ação direta e seletiva das metilações do DNA

prevenindo a ligação de FTs é restrita a poucos exemplos e, ao invés disso, as metilações

parecem atuar como sinalizadores atraindo complexos ativadores ou repressores (Medvedeva

et al., 2014; Li et al., 2015b). Nesse contexto, Methyl-Binding Proteins (MBPs) são descritas

como proteínas que interpretam a metilação do DNA e controlam a expressão de genes por

atraírem fatores remodeladores da cromatina (Zemach e Grafi, 2007, Baubec et al., 2013). Em

Arabidopsis são encontradas 13 MBPs com diferentes funções (Zemach e Grafi, 2007).

MBD7, por exemplo, é descrita como um fator anti-silenciamento que reconhece sítios CG

metilados e se associa a proteínas chamadas Increased DNA Methylation (IDMs) para

facilitar a demetilação do lócus por ROS1 (Fig. 7A; Qian et al., 2012; Qian et al., 2014; Lang

et al., 2015).

Além disso, metilações do DNA regulam a metilação de histonas em um processo

inter-relacionado e auto-regulatório necessário para reforço das marcas epigenéticas e que

também afeta a transcrição (Cedar e Bergman, 2009; Rose e Klose, 2014; Ito et al., 2015).

Conforme mencionado anteriormente, CMTs, responsáveis pela manutenção das metilações

CHG e CHH (non-CG), são recrutadas ao lócus pela marca H3K4me e, de maneira recíproca,

SUVH4, responsável por metilar H3K4, é atraída por metilações non-CG (Du et al., 2012;

Stroud et al., 2014). Outros exemplos de modificações de histona incluem a trimetilação da

lisina 27 da histona H3 (H3K27me3) adicionada por complexos do grupo Polycomb (PcG;

Reddington et al. 2013) e trimetilação da lisina 4 da histona H3 (H3K4me3) adicionada por

complexos do grupo Trithorax (trxG; Klymenko e Muller, 2004). H3K27me3 e H3K4me3

estão envolvidas no silenciamento e ativação transcricional, respectivamente (Schwartz e

Pirrotta, 2007; Schuettengruber et al., 2011).

Recentemente foi descrito um modelo que pode explicar como FTs interagem

com modificações de histona para promover a transcrição (Fig. 7B; Song et al., 2015). Nesse

modelo, FTs induzíveis são capazes de recrutar o complexo trxG para o lócus atraindo outros

fatores e formando o complexo COMPASS que, por sua vez, facilita a interação das

metiltransferases com a histona H3 gerando H3K4me3 e permitindo a transcrição pela

polimerase II (Pol II). De acordo com isso, diversos grupos de FTs e non-coding RNA

parecem recrutar proteínas dos complexos PcG e trxG (Pu e Sung, 2015). Além disso,

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COMPASS é conhecido por facilitar a formação do complexo de pré-iniciação (PIC) e gerar

H3K4me3 durante a elongação da transcrição (Ding et al., 2012), sendo essa modificação

associada a atividade de Pol II (Cedar e Bergman, 2009). Assim, esse modelo juntamente com

outros dados explica em parte a inter-relação previamente observada entre metilação do DNA,

metilação de histonas e a expressão gênica (Li et al., 2008; Cedar e Bergman, 2009).

Fig. 7. Modelos de interação entre fatores em trans e marcas epigenéticas. A) Esquema

mostrando a função anti-silenciamento de MBD7 e IDMs em um lócus metilado.

Inicialmente, MBD7 se liga a metilação (1) e recruta proteínas IDM para o lócus (2). IDM1

acetila caudas de histonas facilitando acesso de ROS1 (3) que, por sua vez, previne a

hipermetilação e silenciamento gênico (4). Figura modificada de Lang et al., 2015. B)

Esquema mostrando um modelo hipotético para o envolvimento de fatores de transcrição e

modificações de histona. Durante a formação do complexo de pré-iniciação (PIC), fatores de

transcrição específicos (FT) e gerais (GTFs) são recrutados para o promotor juntamente com

proteínas de ligação TATA-box (TBP) e mediadores. Ao mesmo tempo, FTs interagem com

componentes do complexo COMPASS (Ash2, WDR5a e RbBP5) para facilitar sua interação

com metiltransferases de histona e o domínio carboxyl-terminal (CTD) da polimerase II (Pol

II). Tal interação promove a trimetilação da lisina 4 da histona H3 (H3K4me3) no promotor

do gene que está relacionada a alongamento da transcrição (representado por “+1” na figura).

Figura modificada de Song et al., 2015.

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Importância das metilações do DNA para o desenvolvimento e adaptação vegetal

O desenvolvimento apropriado dos organismos depende de uma rede intrincada e

precisa de regulação da expressão gênica. A metilação do DNA, por sua vez, interfere na

transcrição sendo assim também importante para definição de identidades celulares e

coordenação do desenvolvimento (Zilberman et al., 2007; Zhang et al., 2010). De acordo com

isso, mutantes para enzimas relacionadas à regulação epigenética apresentam múltiplas

anormalidades (Fig. 8A; Zhang e Jacobsen, 2006) e linhagens isogênicas de plantas com

epigenoma variante (Epigenetic recombinant inbred lines ou epiRILs) respondem

diferencialmente a estímulos ambientais (Cortijo et al., 2014).

Além disso, foram descritos diversos exemplos em que versões de genes

metilados (epialelos) afetam características morfológicas. Em Linaria vulgaris, o aumento dos

níveis de metilação do gene Lcyc, um ortólogo de CYCLOIDEA, reprime sua expressão

modificando a simetria das flores (Fig. 8B; Cubas et al. 1999). No melão (Cucumis melo L.),

alterações epigenéticas no promotor de CmWIP1 influencia na determinação sexual das flores

(Martin et al., 2009). FLOWERING LOCUS WAGENINGEN (FWA) não é expresso durante o

desenvolvimento vegetativo, entretanto, perdas de metilação no promotor induzem sua

expressão e atrasam o florescimento de Arabidopsis (Soppe et al., 2000; Fujimoto et al.,

2011). Muitas variações epialélicas naturais têm sido descritas relacionadas ao florescimento

(Fornara et al. 2010; Andres e Coupland 2012), além de outras afetando características

agronômicas, tais como, amadurecimento e produção de vitamina E no fruto de tomate

(Zhong et al., 2013; Quadrana et al., 2014). Assim, os dados sugerem que mudanças

fenotípicas causadas por alterações na metilação de DNA poderiam contribuir para processos

adaptativos.

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Fig. 8. Alterações epigenéticas afetam características morfológicas de plantas. A) Duplos

mutantes para enzimas envolvidas em vias regulatórias da metilação do DNA, por exemplo,

met1/cmt3 e drm1/met, apresentam múltiplas anormalidades durante o desenvolvimento.

Figura modificada de Zhang e Jacobsen, 2006. B) Variação da simetria floral em Linaria

vulgaris (pelórico) causada pelo aumento dos níveis de metilação de Lcyc e consequente

repressão de sua expressão. Figura modificada de Cubas et al, 1999.

Diferente de mamíferos, cujo padrão de metilação do DNA é apagado e

restabelecido de novo durante a gametogênese e embriogênese, em plantas as metilações são

em grande parte mantidas através da meiose (Feng et al., 2010). Plantas se desenvolvem a

partir de meristemas que estabelecem suas linhagens germinais tardiamente e, dessa maneira,

alterações epigenéticas adquiridas ao longo da vida podem ser memorizadas e herdadas

(Henderson e Jacobsen, 2007). Entretanto, a descoberta de que siRNAs estão envolvidos na

correção de perdas acidentais da metilação (Teixeira et al., 2009), bem como remetilações

observadas no epigenoma de epiRILs (Johannes et al., 2009; Reinders et al., 2009), revelou

que nem todas as alterações epigenéticas são mantidas, pois alguns loci são remetiláveis

enquanto outros podem permanecer alterados e originar epialelos.

Análises em A. thaliana revelaram que, no decorrer das gerações, as taxas de

alteração espontânea na metilação do DNA são 1.000 vezes maiores do que mutações

genéticas (Becker et al. 2011; Schmitz et al. 2011). Entretanto, a taxa de alteração epigenética

herdável em grupos de citosinas (Differential Methylated Regions ou DMRs), funcionalmente

mais relevantes do que individuais (Weigel e Colot, 2012), são similares às taxas de mutações

na sequência de DNA (Becker et al. 2011; Schmitz et al. 2011). De qualquer forma, uma vez

que as DMRs afetam a expressão e podem ser estavelmente herdadas, esses dados indicam

que a variação epigenética pode ser selecionada e ter um papel adaptativo similar às variações

genéticas. Tais modificações epigenéticas são frequentemente revertidas e os epialelos

formados estão associados à produção de siRNAs, o que sugere a participação de

metiltrasferases e DNA glicosilases atuando dinamicamente no controle das metilações

(Matzke e Mosher, 2014; Lei et al., 2015; Williams et al., 2015).

Enzimas envolvidas no controle da metilação são responsivas a estresses

modelando o epigenoma e regulando a expressão de genes (Sahu et al., 2013; Le et al., 2014).

Por exemplo, plantas de Arabidopsis infectadas por patógenos apresentam regiões

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diferencialmente metiladas referentes a genes requeridos para resistência (Dowen et al.,

2012). De acordo com isso, mutantes relacionados à via de regulação da metilação de DNA,

tais como, met1, ago4, polV e ros1, têm apresentado diferenças na resistência ou

susceptibilidade à infecção (Yu et al., 2013). Em geral, a ativação ou repressão desses genes

está envolvida com a regulação de transposons inseridos em regiões vizinhas. Certo nível da

atividade de transposons é mantido pela ação das DNA glicosilases, sugerindo um efeito

positivo em processos de adaptação a estresses (Zhu et al., 2009; Mirouze e Vitte, 2014).

Dessa forma, o controle dinâmico das metilações de DNA é interpretado como um

mecanismo importante para manter o epigenoma variável e adaptável, capaz de responder de

maneira rápida e eficiente a sinais do ambiente durante o desenvolvimento (Kooke et al.,

2015).

O impacto das modificações epigenéticas no desenvolvimento de plantas

cultivadas sob condições de estresse é complicado de ser estudado, principalmente porque

grande parte da variação fenotípica se deve a variação genética entre populações naturais

(Kooke et al., 2015). Entretanto, análises de diferentes populações de epiRILs têm revelado

que a variação epigenética contribui para variações morfológicas sendo essas características

altamente herdáveis (Johannes et al., 2009; Reinders et al., 2009; Latzel et al., 2012; Zhang et

al., 2013). Recentemente foi demonstrado por Cortijo et al. (2014) que regiões

diferencialmente metiladas atuam como loci epigenéticos de traços quantitativos (Epigenetic

quantitative trait loci ou epiQTL) e são responsáveis pela maioria da variação herdável no

tempo de florescimento e tamanho da raíz observada entre epiRILs. Importantemente, nesse

mesmo trabalho também foi demonstrado que os efeitos fenotípicos não são causados por

inserções de transposons indicando ser um efeito da própria diferença de metilação do DNA.

De acordo com isso, genes metilados e não próximos a transposons apresentam maior

variação da expressão quando perdidas as metilações do que genes não metilados (Zilberman

et al., 2007). Isso indica que variação da metilação do DNA pode causar variação fenotípica,

sendo uma característica herdável e selecionável.

Plantas mutantes de vias relacionadas à metilação do DNA apresentam variações

morfológicas pleiotrópicas suprimidas em plantas selvagens, indicando que a metilação é

capaz de regular a plasticidade fenotípica (Zhang e Jacobsen, 2006; Mirouze e Paszkowski,

2011). Por plasticidade fenotípica entende-se a habilidade de um genótipo para expressar

fenótipos alternativos em diferentes ambientes (Schlichting, 1986). Essa característica

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governada por variações do epigenoma tem sido interpretada como uma compensação ao

modo de vida séssil das plantas e importante para adaptação às condições ambientais

oscilantes e variáveis (Feng e Jacobsen, 2011). Assim, a metilação do DNA tem sido

interpretada como um fator atenuante da variação morfológica e, quando desregulada, poderia

ser valiosa para melhoramento do desempenho em condições desfavoráveis (Mirouze e

Paszkowski, 2011). De acordo com isso, estados hipometilados induzidos aumentam a

sensibilidade de resposta do genoma ao ambiente, como observado para epiRILs, e por serem

herdáveis essas características poderiam ser alvo de seleção (Zhang et al., 2013).

Entretanto, mecanismos de reforço da metilação do DNA são descritos em

meristemas para silenciamento da transcrição via RdDM indicando que modificações

epigenéticas em tecidos somáticos sejam mais comuns do que em células germinativas

(Baubec et al., 2014). Isso sugere que alterações na metilação do DNA podem participar na

adaptação local e momentânea, mas não seja fixada, pois, poderia ser desnecessária em outros

contextos. Detalhes de como é memorizada essa variação epigenética adquirida ao longo do

desenvolvimento e herdada transgeneracionalmente são aspectos ainda pouco compreendidos.

Tais modificações, quando recorrentes, poderiam ocorrer diretamente em linhagens germinais

ou, alternativamente, gerar pequenos RNAs migratórios a partir da região induzida (tecidos

somáticos) para meristemas, formando um conduite de informação conforme proposto por

Dowen et al. (2012). De qualquer modo, variação na metilação do DNA claramente afeta a

expressão de genes em populações naturais e, existem indicações de que isso possa ser

predominante para genes recentes originados de novo (Silveira et al. 2013).

QQS, um gene órfão e provocador

O estudo de mutantes de Arabidopsis thaliana para enzimas relacionadas à via

RdDM revelou a existência de alguns loci candidatos ao controle epigenético (Kurihara et al.,

2008). Um desses lócus, identificado como At3g30720, foi caracterizado contendo o gene

Qua-quine Starch (QQS) que codifica uma proteína de 59 aminoácidos sem domínios

catalíticos ou motifs estruturais descritos e que está envolvida no metabolismo de amido (Li et

al., 2009). QQS não apresenta homologia com qualquer sequência de outros organismos

sendo, portanto, considerado um gene órfão. Genes órfãos são definidos como genes com

sequências codificadoras de proteínas novas e únicas a uma espécie ou táxon (Gollery et al.,

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2006), sendo por isso também chamados de genes espécie-específicos, genes novos ou

neogenes. Essa classificação inclui genes recém-formados a partir de sequências não gênicas,

bem como, descendentes de genes ancestrais cujas sequências mudaram além da capacidade

de reconhecimento, mas rejeita genes transferidos horizontalmente e genes duplicados que

assumiram novas funções (Arendsee et al., 2014). Posteriormente, foi demonstrado que QQS

é regulado epigenéticamente, pois, sua expressão está inversamente correlacionada aos seus

níveis de metilação de DNA e, além disso, que é propenso à variação epialélica natural

sugerindo participação em processos adaptativos (Silveira et al. 2013).

A estrutura de QQS é formada por três éxons e dois introns inseridos um na região

5’UTR e outro na região codificadora e as metilações se distribuem principalmente na região

promotora e 5'UTR sendo ausente na região traduzida (Fig. 9; Lister et al., 2008; Cokus et al.,

2008). Uma notável característica de sua vizinhança cromossômica são os múltiplos

pseudogenes e transposons homólogos a família CACTA-like, gypsi-like e retroelementos,

revelando seu posicionamento em uma ilha heterocromática (Fig. 9). A região cromossômica

que cerca QQS parece ter sido um sítio de alta atividade de transposons durante a evolução e,

como esperado, é altamente metilada (Lister et al., 2008). A expressão de QQS varia durante

o desenvolvimento e em condições de estresse, além de mutantes para genes de enzimas

envolvidas em processos de metilação e entre acessos naturais, estando sempre correlacionada

a alteração dos níveis de metilação (Hruz et al., 2008; Li et al., 2009; Seo et al., 2011;

Silveira et al. 2013). As diferenças de expressão não são relacionadas a mutações na

sequência de DNA ou em fatores em trans ou a atividade de transposons vizinhos, sugerindo

que a regulação se deve a variações na metilação do DNA (Silveira et al. 2013).

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Fig. 9. Localização, estrutura e distribuição de metilações do DNA de QQS. O esquema

mostra o posicionamento de QQS em uma ilha heterocromática do cromossomo 3 de

Arabidopsis thaliana (acesso Columbia-0) repleta de transposons e repetições. A estrutura de

QQS é formada por três éxons e dois íntrons, inseridos um na região 5’UTR e outro na região

codificadora. As metilações de citosinas estão distribuídas na região promotora e 5'UTR e

ausentes na região transcrita e 3’UTR. Metilações no contexto CG estão representadas por

traços vermelhos, enquanto CHH e CHG, por traços azuis e verdes, respectivamente.

Pequenos RNAs (siRNAs) de diferentes tamanhos e o número de cópias encontradas de cada

região também estão presentes na figura (setas). Setas vermelhas representam siRNAs de 24

nucleotídeos (nt), enquanto setas verdes e azuis, siRNAs de 22-23 nt e 20-21 nt,

respectivamente. Figura modificada de Silveira et al., 2013.

A existência de epialelos naturais de QQS sugere que regulações epigenéticas

atuantes sobre o lócus são bastante flexíveis e versáteis, embora não se saiba o quanto estes

epialelos influenciam no vigor ou adaptação da planta. Entretanto, diversos trabalhos mostram

que a função de QQS durante o desenvolvimento vegetativo é regular o metabolismo de

amido. Li et al. (2009) foi a primeira a demonstrar a correlação inversa entre a expressão de

QQS e acúmulo de amido nas folhas de Arabidopsis. Outros trabalhos confirmaram essa

associação e mostraram que QQS é afetado por condições de estresse impactando o

crescimento das plantas. Por exemplo, sob condições de frio uma isoforma do fator de

transcrição IDD14 é ativada diminuindo a expressão de QQS e, assim, a quantidade de amido

aumenta para maior eficiência do desenvolvimento durante noites frias (Seo et al., 2011). A

expressão de QQS também é afetada por patógenos como Pseudomonas syringae pv. tomato

(Pst) sendo correlacionada a demetilação ativa do loci (Dowen et al., 2012). Além disso,

recentemente foi descrito que mutantes para ARA6, uma proteína que intermedia o tráfego a

partir dos endossomos para membrana plasmática, é responsável pela homeostase de amido e

açúcar por meio da regulação de QQS e tais plantas apresentam resistência a Pst (Tsutsui et

al., 2015).

Esses resultados indicam que QQS integra uma diversa gama de estresses bióticos

e abióticos para sintonizar o desenvolvimento vegetal, contribuindo para adaptação e

constituindo um modelo para estudos de genes órfãos conforme sugerido por Arendsee et al.

(2014). Além disso, QQS continua apresentando funções quando transferido para outras

espécies distantes como a soja, sendo sugerida uma interação com parceiros e vias

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conservadas (Li e Wurtele, 2014). De fato, foi demonstrado recentemente por Li et al. (2015a)

que que a proteína QQS é capaz de se ligar ao regulador transcricional NF-YC4 (Nuclear

factor Y, subunit C4) conservado entre eucariotos e, assim, regular processos metabólicos que

afetam o particionamento de carbono e nitrogênio entre proteínas e carboidratos modulando a

composição de folhas e sementes de Arabidopsis e soja (Glycine max). Dessa forma, QQS é

um gene que apresenta características únicas e extremamente provocadoras para uma série de

questões relevantes a biologia.

A taxa de produção de transcritos num certo lócus é determinada pela interação

entre reguladores em trans e suas sequências alvo em cis. Entretanto, a capacidade de

interação entre esses fatores cis e trans depende do perfil estrutural da cromatina que é

influenciada por marcas epigenéticas, tais como, a metilação do DNA (Zilberman et al.,

2007). Em plantas superiores, uma correlação estreita entre metilação e silenciamento da

transcrição foi estabelecida (Law e Jacobsen, 2010). Porém, o quanto e como as metilações do

DNA afetam a expressão de genes ainda é um aspecto pouco relatado e compreendido.

A expressão de QQS está sob controle epigenético e apresenta um padrão de

regulação específico ao longo do desenvolvimento e em resposta a alterações do ambiente.

Portanto, QQS poderia funcionar como um sensor e ser usado como um modelo para melhor

entendimento da interação entre mecanismos de controle epigenético e sinais do

desenvolvimento/ambiente que regulam a expressão gênica. A regulação epigenética é

considerada atualmente um importante aspecto da interação entre genótipo e ambiente para

definir o fenótipo. Estudar como esses tópicos interagem é essencial para compreender o

funcionamento dos genomas e para programas de melhoramento vegetal mais refinados.

OBJETIVO

Estudar como os perfis de metilação de citosinas no promotor e região 5’UTR de

epialelos Qua-Quine Starch (QQS) são alterados no decorrer do desenvolvimento

contribuindo para estabelecimento do padrão de expressão deste gene e os efeitos sobre o

acúmulo de amido.

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RESULTADOS E DISCUSSÃO

Manuscrito “Developmental expression pattern of QQS is influenced by DNA

methylation: involvement of ROS1 and impact on starch metabolism”.

Oliveira, RR1; Viana, AJC

1; Matiolli, CC

1; Silveira, AB

2; Vincentz, M

1.

1 Centro de Biologia Molecular e Engenharia Genética, Universidade Estadual de Campinas,

Cidade Universitária Zeferino Vaz, Campinas, São Paulo, Brazil.

2 Ecole Normale Supérieure, Institut de Biologie (IBENS), Paris, France.

Abstract

Cytosine methylation (mC) is an epigenetic mark that affects gene expression. In plants, the

developmentally induced re-programming of mC profiles is critical for transposon silencing

and gene expression regulation. Yet, the extent to which and how the changes of mC pattern

may be modulated during vegetative development is poorly understood. Qua-Quine Starch

(QQS) is an orphan gene of Arabidopsis thaliana which present several spontaneous stably-

inherited epialleles and their expression levels correlate inversely with the mC levels in the

promoter and 5’UTR. We show that the mC level in QQS epialleles modulates its expression

during vegetative development. The QQS expression was increased in leaf and correlated with

a demethylation which is not associated with the action of the DNA glycosilase ROS1.

Genetic analysis using ros1-4 plants, which carry a strongly methylated QQS epiallele,

showed that ROS1 is necessary to define QQS expression level, most likely, by regulating

directly the methylation status of QQS. Plants carrying contrasting QQS epialleles showed

different starch contents in agreement with its described function. Together, this data offer

insights into how mC modulates gene expression during plant development and how QQS

epialleles could be formed and affect starch metabolism.

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Introduction

Cytosine-5 methylation (mC) is an epigenetic mark associated with transcriptional

regulation, in most cases promoting silencing of transcription (Law and Jacobsen, 2010). In

plants, mC is associated with heterochromatin formation necessary to control the activity of

transposable elements (TEs) that could threaten genome integrity and influences expression of

nearby genes (Goll and Bestor, 2005; Feng and Jacobsen, 2011). Development of all

organisms is dependent on an intricate and precise regulation of gene expression which is

interdependent of mC profiles (Zilberman et al., 2007; Zhang et al., 2010). Accordingly,

multiple abnormalities are observed in mutants for enzymes involved in regulatory pathways

of DNA methylation (Zhang and Jacobsen, 2006). Moreover, the developmentally induced re-

programming of mC profiles are critical for gene imprinting in the germline and for early

embryo development (Choi et al., 2002; Hsieh et al., 2009; Ibarra et al., 2012). However, how

mC at cis regulatory sequences interacts with trans factors to modulate gene expression and

vegetative development is not well known.

How mC interacts with transcription has been widely debated and a main issue is

related to whether altered gene expression is a cause or a consequence of mC (Teixeira and

Colot, 2009; Medvedeva et al., 2014). If mC is the cause of gene repression, then mC may

directly affect the affinity of transcription factors (TFs) towards their binding sites (TFBSs)

or, alternatively, attract remodeling chromatin factors, such as, methylation-binding proteins

(MBPs) or Polycomb (PcG) factors (Schuettengruber et al., 2007; Li et al., 2015c) which

affect chromatin accessibility. If mC is the consequence, then chromatin modification reduce

the access of TFs and transcriptional machinery to the DNA and mC serves to fix this

repressed state of the chromatin. In this later case, mC could accumulate passively as a result

of the absence of TF binding (Wang et al., 2012) or direct DNA methyltransferase

recruitment by associated PcG protein (Vire et al., 2006). However, mC of TBFS preventing

TF binding does not appear to be a general transcriptional regulatory mechanism since very

few cases have been described (Medvedeva et al., 2014; Li et al., 2015b). Instead, mC at

genes seems to acts largely as traffic-lights at TBFS attracting mainly repressor but also

activator complexes such as MBPs and PcG factors (Medvedeva et al., 2014).

The regulation of mC levels is a dynamic process involving pathways that are

dedicated to the incorporation or excision of methylated cytosines (Law and Jacobsen., 2010).

In plants, the mC is found in all contexts of sequence (CG, CHG or CHH, where H = A, T or

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C). This mC is established by the de novo DNA metiltransferase DRM2 through a pathway

known as RdDM (RNA-directed DNA methylation), which is guided by 24 nt siRNA

(Matzke et al., 2009). Then, posteriorly, the mC patterns are maintained in a semi-

conservative manner during DNA replication by the action of the DNA methyltransferases,

which present variable affinities depending on the mC sequence context (Teixeira and Colot,

2010). In the asymmetric CHH context, mC is maintained by RdDM and also CMT2

(Henderson and Jacobsen, 2007; Zemach et al., 2013).

DNA methylation can be also excised by active mechanisms or lost passively

(Law and Jacobsen, 2010). Passive demethylation occurs in the absence of DNA

methyltransferases during DNA replication, whereas active demethylation occurs via DNA

glycosilases able to excise mC independent of the sequence context and important to avoid

genome hypermethylation and protect genes near to heterochromatic regions (Zhu, 2009;

Feng et al., 2010). DEMETER (DME) and REPRESSOR OF SILENCING1 (ROS1) are the

major active demethylation players found in Arabidopsis thaliana and show distinct

biological roles (Penterman et al., 2007). DME is required for gene imprinting during

gametogenesis whereas ROS1 acts at specific loci during vegetative development (Morales-

Ruiz et al., 2006). A relationship between RdDM and ROS1 was described showing that the

regulation of mC levels is at a dynamic equilibrium (Lei et al., 2015; Williams et al., 2015)

which partly explains the interplay between methylation and demethylation processes. In

agreement, ros1 mutant plants accumulate hypermethylation at specific loci throughout the

genome (Gong et al., 2002; Agius et al., 2006; Zhu et al., 2007).

Plants present high plasticity along development, probably, to compensate for

their sessile lifestyle and the necessity to deal with frequent environmental alterations.

Recently, isogenic Arabidopsis thaliana lineages with different epigenomes, were shown to

respond differently along development to environmental changes suggesting that epigenetic

components modulate plant developmental plasticity and contribute to local adaptation (Turck

and Coupland 2014; Cortijo et al., 2014; Kooke et al., 2015). In general, it has been

demonstrated that global induced hypomethylation states increases plant sensibility to

environmental conditions and cause phenotypic variation that, in turn, could be inherited and

selected contributing to plant adaptation (Cortijo et al. 2014; Kooke et al. 2015; Dubin et al.

2015). Accordingly, multiples aspects of development, such as, morphology, vernalization

and flowering, stress responses and others, are direct or indirectly regulated by epigenetic

marks (Feng and Jacobsen, 2011). However, the developmental variation was only revealed

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for large epigenetic QTLs induced in mutant backgrounds or by extreme stress conditions and

the impact of individual epialleles is poorly understood Thus, elucidating how mC interacts

with developmental signals and modulate gene expression constitute a crucial step to

understand how the genome interacts with its environment and generates phenotypical

variability.

Qua-Quine Starch (QQS, At3g30720) is an orphan gene of A. thaliana prone to

natural epiallelic variation and stably inherited over generations (Silveira et al. 2013).

Epiallelic variation means here different cis methylation levels in the QQS promoter and

5’UTR which correlates inversely with its expression levels. During gametogenesis QQS is

demethylated by DEMETER (DME; Ibarra et al., 2012) at the vegetative nucleus (VN) of the

pollen grain showing mC lost mainly at CG sites, whereas remains highly methylated at the

spermatic nucleus (Calarco et al., 2012). An epigenetic regulation was described in the pollen,

in which, Athila transposons are activated in the vegetative nucleus and accumulates

correspondent 21 nt siRNAs in the spermatic cells, though to reinforce silencing in the germ

cells (Slotkin et al., 2009). Moreover, targets loci of DNA glycosilases, as epialleles and

imprinted genes, lost CG methylation in the vegetative nucleus being suggested that this

reprogramming in pollen contributes to epigenetic inheritance TE silencing and imprinted by

siRNAs dependent pathways (Calarco et al., 2012). Altogether, these results indicate that

QQS is under an epigenetic regulation.

QQS expression varies during vegetative development and in response to stress

conditions, such as, cold and biotic stress (Hruz et al., 2008; Li et al., 2009; Seo et al., 2011;

Tsutsui et al., 2015). Thus, we used QQS as a probe to explore the interplay between

developmental programs and DNA methylation in establishing a specific expression pattern.

We compared expression and mC levels of QQS contrasting epialleles during Arabidopsis

development and found that contrasting epialleles showed different behaviors indicating that

mC interacts with developmental pathways to modulate QQS expression. The global

expression of QQS is regulated by ROS1 and, moreover, we verified that contrasting QQS

epialleles show different starch accumulation in agreement with the documented negative

regulation of starch metabolism by QQS (Li et al., 2009; Seo et al., 2011; Tsutsui et al.,

2015). Epigenetic regulation is currently considered an important aspect of the interactions

between genotype and environment which defines the phenotype.

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Results

DNA methylation of QQS shapes its expression pattern during development

QQS is epigenetically regulated by cytosine DNA methylation (mC) and prone to

epiallelic variation (Silveira et al., 2013). In order to investigate the potential of QQS

expression along Arabidopsis development, we analyzed transgenic lines containing the GUS

reporter gene under the control of a region of the QQS promoter and QQS 5’UTR sequence

(QQS:GUS; Fig. 1). GUS activity was detected at all stages of Arabidopsis life cycle starting

in the cotyledons in mature embryos (Fig. 1A). Then, it appears in the shoot and root apical

meristems (SAM), beyond cotyledons, in seedlings (Fig. 1B), in the meristematic region and

rosette young leaves (Fig. 1C), mainly occurring in veins and guard cells (Fig. 1D), and also

in specific regions of the flower (Fig. 1E) and the silique wall (Fig. 1F). GUS activity is

maintained in vegetative SAMs (Fig. 1G and H), especially in the L1 layer of 21 day-old

SAM (Fig. 1H), and in the whole early reproductive SAM (Fig. 1I) and lateral meristems of

the late reproductive SAM (Fig. 1 J). GUS was also detected in pollen, where the vegetative

nucleus is less compacted than the two spermatic ones (Fig. 21-O) which is in agreement with

the QQS expression detected by mRNA-seq analyses (Loraine et al., 2013). These GUS

pattern were very similar to that reported earlier by identical QQS:GUS analyses (Li et al.,

2009), except for a few differences. Thus, promoter and 5’UTR of QQS present a specific

expression potential along plant development, which is in good agreement with public

available expression data of QQS (Fig. S1; Hruz et al. 2008; Li et al., 2009; Seo et al., 2011).

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Figure 1 – In situ staining of GUS activity in transgenic lines expressing the GUS

reporter gene under the control of QQS promoter and 5’UTR. To evaluate the expression

potential of QQS we analyzed transgenic lines containing the GUS gene fused to the QQS

promoter and 5’UTR (QQS:GUS). Similar results were obtained for six lines and the pictures

show in situ GUS activity from at representative transgenic line, R1-1-3. A) Mature embryos;

B) Seedlings 12 days after germination (DAG); C) Plants with 21 DAG; D) Detail of the

fourth rosette leaf from plants of 21 DAG plants showing GUS activity in veins and guard

cells; E) Flower (60 DAG); F) Histological section of the silique (60 DAG); G) Detail of the

shoot apical meristem (SAM) 12 DAG; H) Histological section of the SAM 21 DAG; I)

Histological section of an early reproductive meristem; J) Histological section of a late

reproductive meristem; K) Detail of pistil and anthers with pollen; L) Histological section of

the anther containing pollen grains; M) GUS activity in pollen; N) DAPI staining of the

vegetative nucleus (VN) and the two spermatic nucleus (SNs) of the pollen; O) Merged M and

N images. Figures A to E, K and L captured in magnifying glass and F to J and M to O in

optic microscope. Scale bars: A = 200 µm; B, E and K = 1 mm; C = 5 mm; D, G, H, I and L=

100 µm; F and J = 500 µm; M = 25 µm.

Next, a quantitative evaluation of the impact of mC on QQS expression profile

during development was undertaken. Since in situ GUS activity appears to vary between

different leaves, with stronger blue staining found in younger leaves than older ones (Fig. 1C

and S2), QQS expression of six contrasting QQS epialelles in young and old rosette leaves

sampled from 40 day-old plants was measured (Fig. 2 and S3-A for details of plant material).

In agreement with previous data (Silveira et al., 2013), an inverse correlation between QQS

mC level and its expression level was observed (Fig. 2A and B). The expression of QQSme

increases significantly as the leaves get older (1,6 fold; Fig. 2A), but parallel changes in DNA

methylation which were quantified by McrBC assays were not detected (Figure 2B). This

expression pattern was progressively inverted with the reduction of methylation of QQS (Fig.

2A and B). For instance, a 40% reduction of mC in the 5’UTR of Col*3-10 as compared to

QQSme

resulted in an 4-7 fold increase of QQS expression and also a reduction of expression

with leaf age (Fig. 2A and B).

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Figure 2 – Expression and DNA methylation profiles of contrasting QQS epialleles in

different organs. A) Absolute expression of QQS epialleles (QQSme

, Col*3-10, Col*3-14,

Col*3-15, Col*3-2, Col*3-16) in internal rosette leaves, considered as younger rosette leaves

(YRL; leaves 13 and 14th

), and external older ones (RL; leaves 6 and 7th

) of 40 day-old plants

(plant material details in Fig. S3A). The absolute QQSme

expression in YRL and RL is

indicated in the figure and were significantly different between them (*, p-value<0.05, t-

Student test). B) McrBC-qPCR analysis showing the DNA methylation level of QQS

promoter and 5’UTR of the different epialleles and in the respective organs used in A. C)

Relative expression of two contrasting epialleles QQSme

and Col*3-2 in different organs of 60

day-old plants. The QQS expression values were normalized separately for each epiallele in

relation to its respective value in silique. Expression of QQS in Col*3-2 is 29-fold larger than

in QQSme

as indicated. The expression of QQSme

in rosette leaf, bract and fruit are

significantly different of the value in flower (*, p<0.05, t-Student test). D) McrBC-qPCR

analysis showing the DNA methylation level of QQS promoter and 5’UTR of two contrasting

epialleles, QQSme

and Col*3-2, in the respective organs used in C. The methylation levels of

QQSme

promoter and 5’UTR in rosette leaf are significantly different from the respective

values in flower (a, p-value<0.05, t-Student test) whereas significant difference for

methylation in the 5’UTR was only found between bract and fruit in relation to flower (b, p-

value<0.05, t-Student test). The data shown in panels A and B represent the mean of

expression and methylation levels from three individual plants while panels C and D the data

represent the mean of three biological replicates each consisting a pool of organs from five

plants (fifteen plants in total). The expression of PDF2 and UBI were used to normalize

expression analyses and values below 40% in McrBC-qPCR analyses were excluded. YRL -

Younger rosette leaves, RL - older rosette leaves, In - internode of the flowering stem. E and

F) DNAs extracted from rosette leaves and flower of 60 day-old plants carrying QQSme

or

Col*3-2 epiallele (same material used in fig. 2A) were used for bisulfite sequencing of QQS.

For each sample, at least 10 clones were sequenced and the cytosine methylation determined

and analyzed by the Kismeth program (Gruntman et al., 2008). G) QQS structure and

methylation profile available from Lister et al. (2008) in which the position of primers used

for previous McrBC-qPCR analyses (red and blue arrows) and bisulfite sequencing (green

arrows) were included. H) The figure shows the position and methylation context of each

cytosine of the QQSme

and Col*3-2 sequences in the analyzed organs. Colored circles

represent methylated cytosines, whereas rings non-methylated cytosines. The colors identify

the cytosin context, CG (red), CHG (blue) and CHH (green) being H any nucleotide except G.

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The asterisks indicate cytosine positions considered more variable. The sizes of QQS

promoter sequence (256 pb) and 5’UTR (257 pb) analyzed are indicated and correspond the

positions 12.348.789 until 12.349.046 pb and 12.349.047 until 12.349.304 kb (257 pb) of the

third Arabidopsis chromosome, respectively. Details of the plant material used are shown in

fig. S3B. RL – rosette leaves, Fl – flowers.

A more detailed analysis was then performed, in which the expression and mC

levels between organs of 60 day-old plants carrying two contrasting epialleles were compared

(Fig. 2C and D and S3-B for plant material details). As expected, the expression of QQSme

was 29 fold lower than the demethylated Col*3-2 epiallele and more variable between organs

(Figure 2C). The higher expression of QQSme

in rosette leaves and bracts compared to

inflorescence organs (node, internode and flower) was correlated with a lower level of mC at

QQSme

locus in these organs (Fig. 2C and D). In contrast to the QQSme

epiallele, the less

methylated epiallele Col*3-2 presented an almost equal expression level in all organs (Fig.

2C). Together, these data indicate that the level of methylation in the promoter region and

5’UTR are involved in defining the QQS expression pattern. These results were supported by

similar analysis carried out with other demethylated epialleles (Fig.S4-A and B).

Although a negative correlation between methylation and expression levels of

QQS appears to be the rule, this trend was not confirmed for siliques, where QQSme

epialleles

expression was the lowest as compared to other organs and yet, the respective methylation

level in siliques was lower than in flower for instance (Figure 2C and D). Similarly, during

the early stages of seedlings development despite the increase of QQSme

expression, the global

methylation level did not change (Fig S5-A and B). Moreover, in young seedlings, the

expression level was higher in leaves than in cotyledons although the methylation level was

lower in cotyledons (Fig S6-A and B). These results indicate that in addition to mC profiles,

trans regulatory transcriptional factors (TF) may also play a role in defining the expression

pattern of QQS. Until now, IDD14 is the only TF known to regulate QQS and, not

surprisingly, it is weakly expressed at siliques and cotyledons as compared to leaf (Seo et al.,

2011).

Bisulfite sequencing analyses of the genomic DNA from leaves and flower of 60

day-old plants carrying the QQSme

or Col*3-2 epiallele confirmed that methylation is reduced

in older leaves, mainly at CG positions, as compared to inflorescence of 60 day-old QQSme

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plants (Fig. 2E and F). A qualitatively similar lower methylation essentially in the promoter

sequence was also observed in older leaves relatively to flowers of plants carrying the Col*3-

2 epiallele (Figure 2D and 2F). Col*3-2 was mainly demethylated in the 5’UTR sequence and

the loss of cytosine methylation in its promoter sequence in older leaves occurred at specific

CG and CHG sites different from those occurring in the QQSme

epiallele in older leaves

(Figure 2G and H). For example, Col*3-2 is demethylated at the end of promoter sequence in

contrast to QQSme

(second to sixth asterisk on fig. 2H). More importantly, reduction of

methylation in the promoter of Col*3-2 epiallele in older leaves did not affect QQS

expression when compared to flowers (Figure 2C and D). The data shows that methylation in

the 5’UTR sequence of QQS is crucial in determining the QQS developmental regulation,

while the overall expression level involves both 5’UTR methylation and methylation in the

promoter right upstream of the transcription start site. Moreover, the observation that QQSme

and Col*3-2 present a lower methylation levels in leaves than in organs formed later, such as

flowers, suggests that an active and/or passive demethylation reprograming may occurs from

SAM towards organ formation.

QQSme

expression increases along leaf development and methylation levels decrease

In order to study in more detail QQSme

regulation during leaf development, we

determined QQSme

expression and its methylation profile in samples enriched for shoot apical

meristem (SAM) cells and leaves of 21, 31 and 43 day-old plants, where leaves 1-2 are the

first ones (older leaves) and 11-15 the last ones (younger leaves) to emerge in the rosette (Fig.

3A; details of plant material in Fig. S7). QQSme

expression does not vary significantly

between meristems samples at different ages (p<0.05, t-Student test) but increases

progressively during leaf development. The QQSme

methylation profile determined by

bisulfite sequencing of the respective genomic DNAs (Fig. 3B), revealed that globally the

high mC levels found in QQSme

loci decreases in leaves of 43 day-old plants in comparison to

leaves of 31 day-old plants.

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Figure 3 – QQSme

expression and methylation profile in enriched samples of SAM and

along leaf development. Meristem samples containing SAM cells and rosette leaves (RL)

numbered according to the order of emergence (RL1-2 the first ones and 11-15 the last ones)

were sampled from plants with 21, 31 and 43 days after germination (DAG; see details in fig.

S7). Total RNA was extracted and QQS expression was measured by RT-qPCR. A) Absolute

expression of QQSme

along leaf development. B) Bisulfite sequencing of one biological

replicate of the respective DNA sample showed in A. For each sample at least 10 clones were

sequenced and the cytosine methylation percentage obtained from Kismeth program

(Gruntman et al., 2008). C to E) Absolute expressions analyses of meristem-specific genes

used as controls of meristem-enrichment cells. AINTEGUMENTA (ANT) is expressed in

meristems being involved in organogenesis (Mizukami and Fischer, 2000), At5g59330 is

exclusively expressed in vegetative meristems (Hruz et al., 2008), whereas LEAFY is more

expressed in reproductive meristems (Siriwardana e Lamb, 2012). These genes present an

opposite expression pattern in accordance with plant transition to a reproductive state 43

DAG. The endogenous controls PDF2 and UBI were used to normalize expression analyses.

For each of the three biological replicate, dissected organs of ten plants were pooled. Similar

result was obtained by two other experiments (Fig. 6 and S11).

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To complement the analyses of mC impact on QQS expression during leaf

development we also evaluated demethylated QQS epialleles and compared with QQSme

(Fig.

4). As expected, Col*3-2 is always more expressed and possess an opposite behavior than

QQSme

. This result was confirmed in a second experiment and was also observed for other

demethylated epiallele (Fig. S8). Similarly to QQSme

, the expression of Col*3-2 is maintained

at the same levels in SAM enriched tissues of different ages and increase in younger leaves

(Fig. 4). These results show that QQS expression also increases in leaf comparative to SAM

enriched tissues for plants carrying less methylated epialleles. The QQS promoter present at

least nine different types of cis regulatory motifs responsive to light which could be involved

in this expression and methylation regulation in leaf (Fig. S9; Lescot et al., 2002).

Figure 4 – Expression analyses of the demethylated QQS epiallele Col*3-2 along leaf

development. Col*3-2 expression was measured by qRT-PCR in dissected leaves and

meristematic region of plants at different ages (21 and 31 day-old). A) Absolute expression of

Col*3-2 in pools of plant dissected organs. B) Absolute expression of the meristem-specific

gene AINTEGUMENTA used as controls of meristem-enrichment cells. The endogenous

controls PDF2 and UBI were used to normalize expression analyses. The initials RL followed

by numbers means the order of leaf formation in the rosette, being RL1-2 the older ones.

These results support the hypothesis that the QQSme

expression increases and the

methylation levels decreases during leaf development. This demethylation of QQS in leaves

could be an active process through the action of DNA glycosilases (Penterman et al., 2007)

and/or occur passively in the absence of the methylation maintenance machinery (Law and

Jacobsen, 2010). Thus, this aspect was therefore investigated into more details.

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ROS1 regulates QQSme

expression but is not essential for demethylation in leaves

ROS1 is one of four DNA glycosilases found in Arabidopsis and the major player

acting in excision of mC at specific loci during vegetative development (Penterman et al.,

2007). Thus, we analyzed if ROS1 is involved in the QQSme

demethylation process observed

along leaf development. Firstly, we compared the expression and methylation levels of QQS

in isolated organs of wild-type plants carrying the QQSme

epialelle (wt) and the ros1-4 mutant

(Fig. 5; details of the plant material used in fig. S3, details of ROS1 structure and ros1

mutants in fig. S10). QQS was less expressed in ros1-4 than in wt, ranging between 2-15 fold

decrease in expression depending on organ, and lower expression in ros1-4 was correlated

with higher methylation (Fig. 5). This hypermethylation observed for QQS in ros1-4 mutants

agrees with the data published by Qian et al. (2012) also showing higher methylation levels of

QQS for the same mutant compared to wild-type. Both genotypes presented the highest QQS

expression in leaves (Fig. 5A and B). Both genotypes also exhibited lower levels of

methylation in leaves and bracts as compared to other inflorescence organs (Figure 5B).

These results suggest that DNA demethylation at QQS in older leaves and bracts is partially

independent of ROS1. Other demethylases or passive demethylation may also be involved in

QQS demethylation (Penterman et al., 2007; Law and Jacobsen, 2010), but ROS1 seems to

modulate the overall expression level of QQS.

Figure 5 – Comparison of QQS expression and DNA methylation in different organs of

wild-type plants carrying the QQSme

epiallele and of the ros1-4 mutant. A) Absolute

expression of QQS in 60 day-old plants of wt and ros1-4. Fold change of QQS expression in

each organ between genotypes is indicated. B) Methylation percentage of QQS in the same

organs used in A. Methylation levels of QQSme

promoter in wt rosette leaf are significantly

different from the respective values in flower (a, p-value<0.05, t-Student test), whereas ros1-4

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rosette leaf show significant difference in both QQS promoter and 5’UTR (b, p-value<0.05, t-

Student test) and ros1-4 bract only in the QQS 5’UTR (c, p-value<0.05, t-Student test) as

compared to the respective values in flower. The samples were collected in five biological

replicates each one constituted by dissected organs from one single plant, similarly to other

experiments (details in Fig. S3). The endogenous controls PDF2 and UBI were used to

normalize expression analyses. Values below 40% in McrBC-qPCR analyses were not

considered. Rosette leaves (RL) and inflorescence stem (IS).

To further evaluate whether QQS expression is dependent upon ROS1, we

determined QQS expression in samples enriched in meristematic tissues and leaves of 21 and

31day-old wt and two ros1 T-DNA insertion mutant, ros1-3 and ros1-4 (Fig. 6; details of

plant material in fig. S7 and details of ros1 mutants in fig. S10). If ROS1 is involved in

demethylation and consequently expression of QQS during leaf development, a different

expression pattern in the mutant as compared to the wt pattern would be expected. The ros1-3

and ros1-4 plants showed lower expression of QQS than in wt plants possibly reflecting a

global higher methylation status of QQS in the mutants. However, QQS expression pattern

was similar between all three genotypes increasing from meristematic regions into leaf

development (Fig. 6A). Curiously, the expression of QQS in 31 day-old rosette leaves relative

to meristem appears to be more pronounced in ros1-3 and ros1-4 than in the wt (Fig. 6A). The

experiment was repeated once with similar results (Fig. S11). This analysis suggests that

ROS1 plays a role in defining global QQS expression but does not participate in defining the

expression pattern during leaf development. This conclusion is in agreement with the notion

that in addition to the methylation profile trans factors are necessary to establish QQS

expression during leaf development.

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Figure 6 – Comparison of QQS expression in enriched samples of shoot apical meristem

and along leaf development of wild-type, ros1-3 and ros1-4 mutants. Samples enriched in

shoot apical meristem (SAM) cells and leaves 1-2 (first to emerge) and 3-4 (younger leaves)

were sampled from 21 and 31 day-old plants (see details in fig. S7). The samples were

collected in three biological replicates each one constituted by dissected organs of ten plants

pooled. Total RNA was extracted and QQS expression was measured by RT-qPCR. A)

Relative expression of QQS in the different genotypes. QQS expressions in leaves were

normalized for each genotype in relation to the respective value in the meristem. QQS

expression in ros1-3 and ros1-4 was 0.6 and 0.05 lower than the wild-type (wt carrying

QQSme

epiallele), respectively. B) Absolute expression of ROS1 showing null or altered

expression of ros1 mutant plants in relation to wt. C and D) Absolute expression of the

meristem-specific genes AINTEGUMENTA and SHOOTMERISTEMLESS used as controls.

The meristem samples were, as expected, enriched in higher expression of AINTEGUMENTA

and SHOOTMERISTEMLESS, in accordance to their described function (Clark et al, 1996;

Mizukami e Fischer, 2000). The expression of PDF2 and UBI genes were used to normalize

expression analyses. The assay was repeated once as showed in Fig. S11.

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To further analyze the role of ROS1 in defining QQS expression in leaves, we

crossed wt plants carrying the QQSme

epiallele with ros1-4 to generate double heterozygous

plants (F1; QQSme

/QQSros1-4

and ROS1/ros1-4; where QQSros1-4

is the QQS epiallele present in

ros1-4) and analyzed the QQS expression in the F2 population resulting from selfing of the F1

heterozygous in comparison to the QQS expression in the parental genotypes (Fig. 7). If

ROS1 is not involved in QQS expression in leaves then we should observe the same average

of QQS expression in leaves of the three possible ROS1 genotypes (i.e. ROS1/ROS1,

ROS1/ros1-4 and ros1-4/ros1-4) as a consequence of the random combination of each

parental QQS epialelle. The results showed that QQS expression does not follow this

expectation, instead ros1-4 plants presented QQS expression level of the parental ros1-4,

whereas, the heterozygote ROS1/ros1-4 showed and intermediate level between parents and

the homozygotes wt ROS1 in which the expression levels was higher and closer to the female

wt parental leaves (Fig. 7 and Fig. S12).

This result clearly demonstrates that ROS1 determines the overall expression level

of QQS in leaves and suggest that ROS1 acts in a dynamic equilibrium, perhaps, protecting

the loci against hypermethylation. Since ros1-4 always present lower levels of QQS

expression than wt plants (Fig. 5 and 6), it seems that ROS1 regulate QQS expression in the

whole organism. Furthermore, we found that QQS is also regulated by DEMETER (DME)

during gametogenesis (Fig. S15; Ibarra et al., 2012) since its locus shows lower DNA

methylation levels in the vegetative nucleus of the pollen in comparison with sperm cells and

this demethylation is partially resumed in dme/+ heterozygous pollen. These results indicate

that QQS is under epigenetic regulation during both vegetative and reproductive development

and reinforce that it is a target of DNA glycosilases.

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Figure 7 – Analyses of QQS expression in leaves of a F2 segregating population resulting

from selfing of ROS1/ros1-4 heterozygote. Box plot representation of QQS expression in

different related genotypes. In order to evaluate the influence of ROS1 in QQS expression,

wild-type plants (wt, female parent) was crossed with homozygous ros1-4 (male parent),

generating the double heterozygous QQSme

/QQSros1-4

and ROS1/ros1-4, and the 6 to 9th

rosette

leaves of 69 plants of the segregating F2 population were analyzed in comparison to the

parental genotypes (F0). The analysis shows that QQS expression is different between the

different ROS1 genotypes (ROS1/ROS1, ROS1/ros1-4 and ros1-4/ros1-4) indicating that

ROS1 controls QQS expression. The number of each plant genotype analyzed is given in

parentheses. The ros1-4 mutant carry a T-DNA insertion (Penterman et al., 2007), thus, the

plants genotypes (ROS1/ROS1, ROS1/ros1-4 and ros1-4/ros1-4) were determined by PCR

(Fig. S10-C). The proportion of the different ROS1 genotypes fits 1:2:1 proportion (χ² =

1,1739, p<0.05). QQS expression was measured by RT-qPCR with RNA extracted from

rosette leaves 6 to 9 of individual plants (31 day-old). The parental wt and ros1-4 (F0) were

analyzed in four biological replicates and the endogenous controls PDF2 and UBI were used

to normalize expression analyses. The expression values were calculated in relation to ros1-4

and grouped according the ROS1 genotype. The outlier values of the box plot analysis were

represented by ж. The individual expression value of QQS in each plant is shown in Fig. S12.

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Plants carrying contrasting QQS epialleles show differences in starch accumulation

Contrasting epialleles present differential expression behaviors during plant

development, thus, we revisited the effect of QQS epigenetic variation on starch

accumulation. Based on Arabidopsis transgenic lines overexpressing or silencing QQS, as

well as, transgenic lines overexpressing QQS in other species, this gene has been shown to be

a negative regulator of starch accumulation (Li et al., 2009; 2015a; Li and Wurtele, 2014; Seo

et al., 2011; Tsutsui et al., 2015). We also demonstrated in here that several QQS epialleles

present increased expression correlating with lower methylation, which is in agreement with

previous results including natural accessions (Silveira et al., 2013).

Plants carrying the demethylated and highly expressed QQS epialleles, Col*3-2

and Col*3-16, the methylated and lower expressed QQSme

epiallele and the T-DNA/TE

insertion qqs-1 were compared for their starch accumulation at the end of the day and end of

night under long day conditions (16h light/8h dark; Fig. 8). The two highly expressed

demethylated epialleles accumulated around two times less starch than the QQSme

genotype at

the end of the day (Figure 8). The qqs-1 mutant plants presented similar starch content than

plants carrying QQSme

(p-value<0.05). Two other experiments carried out with 9 day-old

seedlings and 42 day-old plants cultivated in the same long day conditions showed similar

results (Fig. S13). At night, starch is degraded in such a way as to sustain growth until dawn

(Graf et al., 2010) and it is therefore likely that the demethylated epialleles which have less

starch to be used at night end up with lower starch amounts at dawn than the QQSme

a

prediction which actually happened (Fig. 8). Together, the data clearly indicate that QQS

epiallelic status can modulate starch accumulation.

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Figure 8 – Starch accumulation in plants carrying contrasting QQS epialleles and the

mutant qqs-1. The figure shows that plants carrying the less expressed QQS epiallele

(QQSme

) or the qqs-1 T-DNA/TE mutant insertion accumulate more starch at the end of day

and end of the night than plants carrying more expressed epialleles Col*3-2 and Col*3-16.

The significant differences in relation to QQSme

(p-value<0.05, t-Student test) are marked

with asterisk (*). Plants were cultivated for 31 days under long day conditions (16 hour of

light and 8 of night) and the starch analysis was made with 5 biological replicates containing

6 plants for each genotype (30 plants in total).

Discussion

In general, mC is considered a repressive mark of gene transcription but this

relationship is complex and sometimes controversial, since gene body methylation, for

example, does not seems to affect expression (Zilberman et al., 2007; Zhang et al., 2010).

Thus, a relevant question would be if methylation reprogramming occurs during development

and affects gene expression. In this context, few examples are described, such as,

FLOWERING WAGENINGEN (FWA), MEDEA and FERTILIZATION-INDEPENDENT

SEED 2, being mainly observed in the gametogenesis and important for imprinting processes

(Hsieh et al., 2009; Ikeda, 2012). However, although examples of epialleles affecting

morphological traits are also described, such as, Lcyc and CmWIP1 (Cubas et al, 1999; Martin

et al., 2009), how mC interacts with vegetative developmental signals and modulates gene

expression is an aspect poorly understood.

In order to obtain new insights about this, we compared the expression and

methylation levels of contrasting QQS epialleles during A. thaliana development. We showed

that the profile of mC at the QQS locus is a key element to define the expression pattern of

this gene at different stages of the vegetative development. For example, demethylated

epialleles presented a more homogeneous expression pattern between organs as compared to

the methylated epialleles (Fig. 2C and D) and, while the expression of the demethylated

epialleles decreases during leaf development an opposite profile holds for the methylated

epiallele (Fig. 2A and B, 3A and 4A). The main differences of mC levels between epialleles

were found in the CG context of the 5’UTR and proximal to the transcription start (Fig. 2)

suggesting that methylations of these regions are important in defining alteration of the QQS

expression pattern.

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The methylated QQS epiallele (QQSme

) is more expressed and less methylated in

rosette leaves and bracts compared to other organs formed later during development (Fig. 2C

and D). This result suggested that loss of methylation occurs during leaf development.

Furthermore, demethylation of QQSme

is dependent on plant age. Lower levels of methylation

correlated with higher expression levels were only observed in older leaves of 43 and 60 day-

old plants (Fig. 3B and 2E, respectively). In older leaves of 40 day-old plants the expression

of QQS increases in relation to younger leaves but no parallel demethylation was observed

(Fig. 2A and B). Thus, in addition to mC, trans regulatory factors are also important to define

QQS expression pattern. Other evidences for this conclusion include the facts that QQS

expression is altered in siliques (Fig. 2C and D), seedlings (Fig. S5-A and B) and cotyledons

(Fig.S6-A and B) without correspondent expected changes in DNA methylation. A potential

transcription factor (TF) is IDD14 and the expression pattern of QQS and IDD14 are

correlated (Hruz et al. 2008; Seo et al., 2011).

Demethylation of QQS in leaves of older plants could be the result of the DNA

glycosilase activity of ROS1, which is known to act mainly in vegetative tissues (Penterman

et al., 2007). We showed that ros1-4 plants, present a reduction of the QQS methylation levels

in leaves and bracts in comparison to flower of 60 day-old plants (Fig. 5). This result was

similar to wt plants, although the methylation of QQS in ros1-4 was slightly higher compared

to wt, thus, we concluded that QQS demethylation in leaves is, at least, partially independent

of ROS1. Nevertheless, the QQS expression level was strongly reduced in ROS1 mutant

background during leaf development (Fig. 6) suggesting that ROS1 is an important

determinant of the overall expression level of QQS.

Through the crossing of wt and ros1-4 plants (F1 heterozygote) and analyses of

the F2 segregating population originated from selfing of the F1 (Fig. 7), we demonstrate that

indeed QQS regulation is targeted by ROS1. If ROS1 would not be involved in the regulation

of QQS, a mendelian proportion of parental QQS epialelles combinations should be observed

to each ROS1 genotype (i.e. ROS1/ROS1, ROS1/ros1-4, ros1-4/ros1-4) or, in other words, the

same expression average between the genotypes should be found. As expected, the mendelian

proportion was achieved for the ros1 alleles. However, the QQS expression did not follow this

rule, since different averages of expression were found in the different ros1 genotypes

suggesting that different epigenetic alterations affect QQS expression according to the ros1

genotype. The F2 ros1-4 homozygotes led to a drastic reduction of QQS expression (15 folds

less), since QQS expression of the parental ros1-4 was completely resumed and little variation

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was observed among the ros1-4 individuals. The F2 ROS1 homozygotes showed higher QQS

expression averages and also more variability among the different individuals compared to

ros1-4 mutants indicating that the levels of QQS expression are not readily re-established to

the wt parental level when wild-type ROS1 is resumed. Moreover, QQS expression in

heterozygous plants (ROS1/ros1-4) is lower than wt pointing a dosage-dependent effect of

ROS1 in QQS regulation. Thus, to explain these results we suggest that the loss of ROS1

wild-type activity leads to a QQS hypermethylation, probably, as a consequence of the

antagonistic effect of the RdDM (Williams et al., 2015), and consequently, it alter QQS

expression. This hypermethylation is not readily decreased with the resume of the wild-type

ROS1 copies, which could indicate that the methylation pathways are more efficient than the

demethylation pathways. Other methylation analyses by bisulfite sequencing are being

performed to confirm this suggestion.

Additionally, QQS shows hypermethylation in the triple ros1, dml2 and dml3

(rdd) mutant plants (Cokus et al., 2008; Lister et al., 2008) and also in the single ros1-4

mutant plants (Gong et al., 2002; Agius et al., 2006; Zhu et al., 2007; Qian et al., 2012).

Moreover, a differential methylated region (DMR) is localized at the QQS locus in plants

infected with Pseudomonas syringae pv. Tomato (Pst; in Table S3 of Dowen et al., 2012) and

ROS1 removes methylation and activates expression of a set of genes in response to Pst (Yu

et al., 2013). Together, this data strongly suggest that QQS is a target of ROS1, whose

activity, probably, avoids hypermethylation in the locus.

To reconcile the ROS1 independent demethylation of QQS in leaves and the fact

that ROS1 regulates QQS expression, three hypotheses can be considered. First, it is possible

that other DNA glycosilases, such DML2 and 3, acts redundantly with ROS1 (Penterman et

al., 2007). Second, the demethylation could be achieved passively as a consequence of

reduced maintenance by MET1 and/or other methyltransferases. Accordingly, it was shown

that the expression of methylation maintenance genes is decreased in leaves during

senescence (i.e. aging) and, also, in comparison to SAM (Fig. S14). Third, the loci occupancy

by TFs could preclude by competitiveness the action of enzymes involved in de novo or

maintenance methylation and cause demethylation (Lin et al., 2000; Wang et al., 2012). Thus,

the QQSme

demethylation in leaves could be a consequence of the induced transcription,

maybe in response to light (Fig. S9). In agreement, Zilberman et al. (2007) reported that small

transcribed genes are highly biased to lose methylation.

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Recently, an antagonistic relationship between ROS1 and RdDM to balance

cellular mC levels was described (Lei et al., 2015; Williams et al., 2015). ROS1 and RdDM

share components, such as small RNAs dependent on Pol IV and V, showing that these

pathways are intrinsically related (Mosher et al., 2008; Zheng et al., 2008; Matzke and

Mosher, 2014). Thus, ROS1 could act in a dynamic equilibrium protecting specific loci

against hypermethylation and how this equilibrium is disrupted constitute an important issue

to understand how epialleles are formed. Methyl binding proteins (MBPs) could be an

important part of this process, since they are able to bind to CG methylated sites and recruit

chromatin remodeler factors to facilitate ROS1 action (Zemach and Grafi, 2007; Lang et al.,

2015). Thus, DNA methylation could be interpreted as traffic lights attracting other activator

or repressor complexes of gene transcription (Medvedeva et al., 2014; Li et al., 2015c). This

could explain why the methylated QQS epiallele and ros1 mutants-associated QQS epialleles

share the same expression pattern during leaf development but this pattern is lost in

demethylated QQS epialelles (Fig. 2A, 3A, 4 and 6A). Since, our results indicate that ROS1

influences QQS expression, ROS1 could be involved in generating QQS epiallelic states,

possibly, throughout de disturbance of this methylation dynamic equilibrium and regulation of

the methylation status at early stages after fertilization. The newly acquired QQS epigenetic

state could then be stably maintained and inherited, an issue that have to be addressed in

future studies.

Besides the QQS regulation during vegetative development by ROS1, QQS is also

regulated by DEMETER (DME) during gametogenesis (Fig. S15; Ibarra et al., 2012). QQS is

demethylated at the vegetative nucleus (VN) of the pollen grain showing mC lost mainly at

CG sites, whereas remains highly methylated at the spermatic nucleus (Fig. S15; Calarco et

al., 2012). This demethylation at the VN are partially recovered in demeter (dme/+) mutant

plants (Ibarra et al., 2012) indicating the participation of DME in this process. GUS activity

found in pollen (Fig. 1M to O) is in agreement with RNA-seq analysis showing QQS

expression in pollen (Loraine et al., 2013). Thus, QQS seems to be under a similar epigenetic

regulation during the reproductive development.

Although the meaning of QQS demethylation in pollen and its biological function

is unknown, during vegetative development QQS seems to impact starch accumulation (Fig.

8), which is in agreement with other studies showing that QQS act as a negative regulator of

starch metabolism (Li et al., 2009; Seo et al., 2011; Tsutsui et al., 2015). In addition to the

fact that starch was shown to be crucial to sustain growth at night (Stettler et al., 2009), an

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inverse correlation between starch accumulation and biomass has been uncovered by the

analyses of a set of Arabidopsis accessions (Sulpice et al., 2009). These observations

emphasize the importance of starch in modulating growth and biomass acquisition. Arendsee

et al. (2014) suggest that QQS integrates a range of environmental signals to regulate plant

growth under biotic and abiotic stress conditions via starch regulation. Thus, QQS epiallelic

variation may indeed play a role in the control of growth and consequently may affect fitness.

Material and methods

Plant material

The analyses were performed in Arabidopsis thaliana Columbia-0 (Col-0) ecotype containing

contrasting QQS epialleles, independent transgenic linages of QQS:GUS, the T-DNA

insertion WiscDsLoxHs077 (in which QQS is disrupted at the third exon and referred here as

qqs-1, as previously described by Silveira et al., 2013) and the T-DNA mutants ros1-3 and

ros1-4 (SALK_45303, described by Penterman et al., 2007). Transgenic linages and mutant

plants were confirmed by PCR and sequencing of the T-DNA insertions in comparison to

wild-type plants as following described. The list of primers used is shown in table S1. For the

diverse experiments the seeds were planted in soil (2:1 Plantmax HT® and vermiculite)

stratified for 72 hours at 4ºC in darknessAlternatively, some experiments used seedlings

grown in MS/2 medium as indicated in the respective figure. In this case, approximately 5 mg

of seeds were sterilized (1’ in 70% etanol, 20’ in 1% sodium hypochlorite under shaking and

followed by four washes in milli-Q autoclaved water), maintained for 72 hours at 4ºC in

darkness and then cultivated in liquid MS/2 (Murashige and Skoog, 1962) supplemented with

0.5% sucrose. Embryo tissue was obtained from macerated seeds as described by Raissig et

al. (2013). All the experiments were performed in long day conditions (16 hours of light and 8

of darkness) at 22º C and at least three biological replicates were collected directly in liquid

nitrogen.

Nucleic acid extractions

Total RNA was extracted by the lithium chloride method (Oñate-Sánches and Vicente-

Carbajosa, 2008) and the DNA by de CTAB method (Doyle and Doyle, 1990) or, in

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substitution, using the method described by Oliveira et al. (2015), in which RNA and DNA

can be obtained simultaneously from different tissues without any differences in comparison

with the previous cited protocols. RNAs of plants cultivated in MS/2 culture medium were

isolated by the guanidine extraction method (Logemann et al., 1987). All the nucleic acids

extractions were verified by agarose gel electrophoresis, TAE buffer for DNA and MOPS for

RNA (Sambrook et al, 1989), and showed no degradation signals.

Genotyping of T-DNA mutant plants

The T-DNA insertion present in the mutant plants ros1-3, ros1-4 and qqs-1 were verified by

PCR DNA amplification (primers listed in table S1) using the GoTaq® DNA Polymerase

(Promega) followed by DNA separation on agarose gel electrophoresis and comparison with

wild-type plants. Purification of agarose gel bands were made by Wizard® SV Gel and PCR

Clean-Up System kit (Promega), cloned into pGEM T-easy vector (Promega) and sequencing

with BigDye® Terminator v3.1 (ThermoFisher Scientific). All the procedures followed the

manufacturer’s instructions. ROS1 structure, T-DNA insertion ros1-4 and the agarose gel

containing the PCR genotyping are available in in fig. S10.

Arabidopsis transgenic lineages and GUS activity analyses

Amplification of QQS promoter and 5’UTR was made by PCR using the Platinum® Taq

DNA Polymerase High Fidelity (ThermoFisher Scientific) and genomic DNA as template

(primers listed in table S1). The promoter sequence length (320 bp) to be cloned was defined

by the presence of a transposons and the analyses were similar to Li et al. (2009) allowing

comparison. The fragment was purified from agarose gel, cloned and sequenced as described

above. The 35S:GUS:tNOS insert was obtained from the pBI121 vector (Chen et al., 2003)

and cloning into the binary vector pFP101-HA (http://www.isv.cnrs-

gif.fr/jg/alligator/vectors.html). The final QQS:GUS cassette was obtained from the enzyme

digestion and substitution of 35S promoter present in the 35S:GUS:tNOS of the pFP101

vector by the QQS fragment extracted from pGEM T-easy vector (details in fig. S16). All the

plasmids were grown in Escherichia coli (DH5α) and the minipreps extractions, enzymes

digestion, Klenow enzyme treatment and T4 ligation necessary for the cloning procedures was

performed following Sambrook et al. (1989) instructions. The fragments of each step of the

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cloning plasmids were confirmed by enzyme digestions and PCRs. The binary vector was

transfected into Agrobacterium tumefaciens GV3101::pMP90 (Koncz et al., 1986) following

the method described by Brasileiro and Carneiro (1998) and then, used for in planta

transformation method (Bechtold et al., 1993) modified by Silveira et al. (2007) of the A.

thaliana Col-0 ecotype carrying the QQSme

epiallele. Homozygous linages were selected by

seed GFP fluorescence in the F3 generation. GUS activity analyses in transgenic plant organs

were performed as described by Vitha et al. (1995). Samples were directly photographed

using a magnifying glass or optical microscopy as described by Oliveira et al. (2014).

RT-qPCR expression and McrBC DNA methylation analyses

The RT-qPCR and McrBC DNA methylation analyses were performed as described by

Silveira et al. (2013) using nucleic acids extracted as described above. The primers used for

RT-qPCR were designed in an exon-exon region avoiding DNAse treatment (Sambrook et al.,

1989; primers listed in Table S1). Real time PCR reactions were run on an Applied Biosystem

7500 Real-Time PCR System (ThermoFisher Scientific) or CFX384 Touch™ Real-Time PCR

Detection System (BIO-RAD). Gene expression levels were normalized in relation to the

reference genes PDF2/PP2A (At1g13320) and ACTIN2 (Act2, At3g18780) and/or

UBIQUITIN E2 (Ubq, At2g36060) as suggested by Czechowski et al. (2005). The absolute

expression levels were calculated by the 2-∆CT

*100 formula (Pfaffl, 2004) and the relative

expression by the 2-∆∆CT

formula (Livak et al., 2001).

DNA sodium bisulfite sequencing

Primers were designed using Methyl Primer Express® software v1.0 (Applied Biosystems)

and/or MethPrimer (Li and Dahiya, 2002) and are listed in table S1. DNA samples were

treated with the EZ DNA Methylation-Lightning™ or -Gold™ kit (Zymo Research) and used

for PCR reactions with Platinum® Taq DNA polymerase (ThermoFisher Scientific). Primers

designed for genomic amplification were also used in the PCR with the bisulfite treated DNA

as a negative control and non-treated DNA as a positive control. After separation on a 1%

agarose gel, the DNA amplifications were purified using the Wizard® SV Gel and PCR

Clean-Up System kit (Promega) and cloned into pGEM T-easy vector (Promega). The vectors

were transformed into E. coli (DH5α) and at least ten clones were selected for miniprep

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extractions and BigDye® Terminator v3.1 (ThermoFisher Scientific) sequencing. All the

procedures followed Sambrook et al. (1989) and the reagents manufacturer’s instructions.

Sequencing results were analyzed with the KisMeth software (Gruntman et al., 2008). As

internal controls, we analyzed the genes At5g13440 absent for cytosine methylation and FWA

always presenting around 30% of cytosine methylation in vegetative tissues (Fujimoto et al.,

2008). Thus, the bisulfite DNA conversion efficiency was measured by the non-methylated

cytosines levels of At5g13440 and values below 99% were not considered.

Starch quantification

Starch levels were measured in the aerial part (rosette leaves) of 31 day-old plants grown in

long day conditions. The analysis was performed with 5 biological replicates containing 6

plants for each genotype (30 plants in total). It was used the method described by Stitt et al.

(1989) and modified by Hendriks et al. (2003) with 20-25 mg of each sample macerated in

liquid nitrogen and.

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Material suplementar do manuscrito

Supplementary material

Table S1 – Primer list. List of primers used for different assays. References of already

described primers (Ref.): a - Silveira et al. (2013); b - Modified from Zhu et al. (2007); c -

Penterman et al. (2007); d - Salk Primer L (Isect tool).

Gene (AGI)

Primer

direction Primer sequence Assay Ref.

QQS (At3g30720) Forward AAGACCAATAGAGAGCAGGAA

RT-qPCR

a

Reverse CCTGATGTAGAAGTGTGAGG a

GUS reporter Forward TCATTTTCTCCACAGCGACC

Reverse TGTAACGCGCTTTCCCACCA

ROS1

(AT2G36490)

Forward TGCTATATGGACGCCAGGTGAG

Reverse AGAAACAAGTCTCCTCGTCAC

ANT (AT4G37750) Forward TACCTTGGAACTTTTGGAACC

Reverse CAGACAAGAGTGTGTTACTAG

STM (At1g62360) Forward GGCCTTACCCTTCGGAGCA

Reverse GTAATGGTGAGGATGTGTTGC

LEAFY

(AT5G61850)

Forward AATGCCCCACCAAGGTGAC

Reverse CAGTGAACGTAGTGTCGCAT

At5g59330 Forward GGATCTGTGTTGTGAAGGAG

Reverse GACGTTGTCGCAGTTAGTG

ACTIN (At3g18780)

Forward GTACAACCGGTATTGTGCTGG a

Reverse CAAGGTCAAGACGGAGGATG a

PDF2/PP2A

(At1g13320)

Forward CATGTTCCAAACTCTTACCTG a

Reverse GTTCTCCACAACCGCTTGGT a

UBQ(At2g36060) Forward TCCTCACAACGTAACTGTAC

Reverse GACACAAGTCATGTTGATACG

QQS promoter Forward TCACTCGGATTGATGTCGTG

McrBC

a

Reverse AGGAGACGAAACAGACAAATC a

QQS 5'UTR Forward ATTAGAACATCTCAGAAGAAGC

Reverse TTGATGAGAGGTAATGAGAGG

At5g13440 Forward ACAAGCCAATTTTTGCTGAGC a

Reverse ACAACAGTCCGAGTGTCATGGT a

QQS Forward TTTGAAAATGGTATGTAAAAAATATTT

Bisulfite

Reverse AAAACATATAACACAACCCARATC

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67

At5g13440 Forward TTAAGGAAAGGAAATTTTTTTATAAA

Reverse AAAATCCTACACCATACAACCTAA

FWA (At4G25530) Forward GGTTTTATATTAATATTAAAGAGTTATGGG b

Reverse AAACCAAAATCATTCTCTAAACAAAATA b

ros1-3 - wild-type Forward TGGAAGGGATCCGTCGTGGATTCT

PCR

c

Reverse CCCGCGACTCTTGATTGTTTCAGCAACTT

ros1-3 - mutant (JL202)

Forward TGGAAGGGATCCGTCGTGGATTCT c

Reverse CATTTTATAATAACGCTGCGGACATCTAC

ros1-4 - wild-type Forward ATTGATTGGGTTTAGGCTGGATG c

Reverse ACATGTCCAGCGCTTTAGTTG

ros1-4 - mutant

(LBb1.3)

Forward ATTGATTGGGTTTAGGCTGGATG d

Reverse ATTTTGCCGATTTCGGAAC

qqs-1 - wild-type Forward ATATAGCGGTTTGGGTTCTGC d

Reverse AAGAAGCCTCCTTTCGATCTG

qqs-1 - mutant

(WISK_LB)

Forward ATATAGCGGTTTGGGTTCTGC d

Reverse TGATCCATGTAGATTTCCCGGACATGAAG

QQS

promoter+5'UTR

Forward CTGCAGAAAAATCTGCAATTATG PCR

(Transgene)

Reverse GGATCCGAATCTAAGAACCAAAC

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Supplementary analyses and figures

Figure S1 – Expression analyses of QQS in different organs of Arabidopsis. QQS expression is found in

several organs being very variable in most of them, which suggest influence of developmental and

environmental growth conditions. Data obtained from the GENEVESTIGATOR data mining tool (Hruz et al.,

2008), which gathers a lot of microarray data and provides a normalized and statistical analysis.

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Figure S2 – Analysis of in situ GUS activity during leaf development of six independent Arabidopsis

transgenic lines for the GUS gene fused to QQS promoter region and 5’UTR (QQS:GUS). 21 day-old plants

were analyzed. In all six lines, GUS activity was mainly detected in the vegetative meristematic region and

younger leaves and was reduced in older leaves. GUS activity reflects the potential of QQS expression. Wild-

type genotype segregated from heterozygous transgenic lines, thus without the transgenic insertion, was named

as background and used as negative controls (i.e., not showing GUS activity). Bars equal 0.5 cm except H with

0.2 cm.

Figure S3 – Plant material used in the experiments of quantitative expression and methylation analysis of

QQS shown in Fig. 2. A) 40 day-old plants showing the 6 and 7th

rosette leaves (RL) and the 13 and 14th

rosette

(YRL) leaves which were collected for the analyses showed in the figure 3A and B. Leaves from individual

plants were used as single biological replicate. B) 60 day-old plants from which the different organs and kind of

leaves (mature rosette leaves*) were collected for the analysis undertaken in figure 2C and D are shown. A pool

of five plants was used for each organ as single biological replicate. All the plants were cultivated under long

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day conditions (16 hours of light and 8 of darkness) at 22°C. RL – rosette leaves and YRL – younger rosette

leaves.

Figure S4 – Analysis of QQS expression and methylation in different organs. Contrasting QQS epialleles

present different expression and methylation patterns in different organs. The epialleles QQSme

and Col*3-10,

which are more methylated, exhibited a more variable expression during development compared to the others

less methylated epialleles. For QQSme

a correlation between increase of expression and decrease of methylation

was found in leaves compared to organs formed later, such as, flowers. A) Relative expression of five

contrasting QQS epialleles in different organs of 60 day-old plants. The expressions values were normalized for

each epiallele in relation to the respective expression value in silique fixed to 1 and the expression fold in

relation to QQSme

is indicated. B) McrBC-qPCR analysis showing the DNA methylation percentage in the QQS

promoter and 5’UTR of the two epialles QQSme

and Col*3-2 in the respective organs used in A. The growth

conditions were long day (16 hours of light and 8 of darkness) and 22°C in soil. The data shown in the panels A

and B represent the mean of expression and methylation levels, respectively, from three individual plants. The

endogenous controls PDF2 and UBI were used to normalize the expression analyses. Values below 40% in

McrBC-qPCR analyses were not considered by technical limitations. RL – Rosette leaves, In – internode of the

inflorescence stem, Fl – Flowers, Sil - Siliques.

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Figure S5 – Analyses of QQS expression and methylation during early stages of development. Contrasting

QQS epialleles present different expression and methylation patterns. The epialleles QQSme

and Col*3-10, which

are more methylated, exhibited a more variable expression although no difference of methylation was found

during seedlings development. A) Relative expression of contrasting QQS epialleles in whole seedlings sampled

3, 6, 9 and 12 days after germination. The expressions values were normalized for each epiallele in relation to

the respective expression value at 3 days which was fixed to 1 and the fold in relation to QQSme

is indicated. B)

McrBC-qPCR analysis showing the DNA methylation percentage in the QQS promoter and 5’UTR of the

respective seedlings containing the epialleles QQSme

, Col*3-15 e Col*3-2. Seedlings were cultivated in liquid

MS/2 supplemented with 0.7% sucrose. The growth conditions were long day (16 hours of light and 8 of

darkness) and 22°C. The data represent the mean of three biological replicates each consisting of a pool of

seedlings (5 mg of seeds). C) Relative expression of contrasting QQS epialleles in mature embryos. The

endogenous controls ACTIN and PDF2 were used to normalize expression analyses. Values below 40% in

McrBC-qPCR analyses were not considered by technical limitations.

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Figure S6 – Profile of QQSme

expression and methylation in root, cotyledon, meristematic region and

leaves of seedlings. The expression and methylation levels from dissected organs of 12 day-old seedlings

cultivated in agar MS/2 medium supplemented with 0.7% sucrose and long day conditions (16 hours of light/8

hours of dark). A) QQSme

absolute expression normalized with the endogenous controls ACTIN and PDF2. B)

McrBC-qPCR analysis showing the DNA methylation percentage in the QQS promoter and 5’UTR in the

respective organs described in A.

Figure S7 – Details of the plant material used for the analysis of QQS expression and methylation during

leaf development. Figures A, B and C show, respectively, 21, 31 and 43 old plants from which sampling of

organs used in experiment presented in figure 3 were realized. All the plants were cultivated under long day

conditions (16 hours of light/8 hours of dark) at 22° and for each of the three biological replicate, dissected

organs of ten plants were pooled.

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Figure S8 – Expression analyses of the demethylated QQS epialleles Col*3-2 and Col*3-16 during leaf

development. QQS expression was measured by qRT-PCR from total RNA extracted of dissected leaves and

meristematic region of 31 day-old plants. The samples were collected in three biological replicates each one

constituted by dissected organs of ten plants pooled. A) Absolute expression of Col*3-2 and Col*3-16 in pools

of dissected organs. B) Absolute expression of the meristem-specific gene AINTEGUMENTA and

SHOOTMERISTEMLESS (STM) used as controls of meristem-enrichment cells. The endogenous controls PDF2

and UBI were used to normalize expression analyses. The initials RL followed by numbers means the order of

leaf formation in the rosette, being RL1-2 the older ones.

aaaacattcttatgccttcatgaaatagccaattagaatgtttcactcggattgatgtcgtggcgaaatctcagc

ctttcctcatgccatcttaaataaatgtccaagcttgccaaaacgatccaatcaccatatatcactcggatacat

gacgtggcgagatattggcctttgatttgtctgtttcgtctccttttcgataatttattcacttctttcgatcca

aaaaattagaacatctcagaagaagcctcctttcgatctgtcagccattgaagaaacctcctttcgatctgtcag

ccattgaagatcagaagaaacaagactcacacggtcagccattgaagaagcctcctctcattacctctcatcaaa

catctagatctgtacccaaaccttatccctttttccttatttctcgctttgtctattcttaatctgattaatact

tgttgttgttccaggttatagaagatctgggttgtgttatatgcttcattttctccacaggtaatattcttttca

tcctttcaaaaataatttccgattcgtcagagtgatattgataagatgcgagtaccattgattttcttttgtgta

tattgaatgattcttatatttcagcgaccagttggtgtttggttcttagattcATGAAGACCAATAGAGAGgtaa

acgattagccattagtaacttatttgtaattcaaacgactaactttctttagtttactgagattaaatctttcgt

tttgtagCAGGAAATTTACGTTGAAAGAAGCTTCAAACCAAACAATTCAACAATTCAGAATTTGATGGACATTGA

AAGGTTCATTTTGCCTCACACTTCTACATCAGGTGTCGCAAGGCTCAAAATGAGGGTCATATCATGGGTCGGGCT

TCAGTTCTACAACTACTGAtattgggccttatcacaaattagttatagggccattgtatccaatatttaatatct

ctgtaaacttgtttaatggttattttgttctaatgcccattacaactagacttaatatcaatataaatactttgt

aaaatactttttttttgttaaagagtcaccaaatagtataaaataaggcataaaatacagtaattatatggatac

tctaaatacagtatccaacgactaaatacagtaattatacggtataaattacaatataaaatatggtataaaaaa

cagtataaattacagtattaaaatacaatatccagcgcttaaatacagtaattatacggatactctaagaaagct

attgttcagcaacccttaaactatcaattattacataatttaaatgctattataaatttaaagtactgctatagt

tacgcaatttaatagcaaatagtaattgctattgtaaaattaacaataacacacaacaaaacgctatattagttg

aaatttttatagcagaacccaaaccgctatataaagtgttcgacctactataacaagcgcatacatagtgtttac

tacaacgctataatatcttataatattgtttttcctgtgctattgatactcacaattcctgtagtgaattcTTTG

TCGCATAGTCTCATTCCG

XXX – QQS UTRs.

XXX – QQS protein coding sequence.

XXX - AAGAA-motif: “cis-acting elements involved in photoregulation of an

oat phytochrome promoter in rice”.

XXX – AE-box: part of a system composed of 3 to 4 Gap-boxes and 2 AE-boxes;

conferring light responsiveness.

XXX – AT-rich sequence: element for maximal elicitor-mediated activation.

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XXX – AT1-motif: part of a light responsive module.

XXX – Box 4: part of a conserved DNA module involved in light

responsiveness.

XXX – Box I: light responsive element.

XXX – G-box: cis-acting regulatory element involved in light

responsiveness.

XXX – GATA-motif & I-box: part of a light responsive element.

XXX – GT1-motif: light responsive element.

XXX – HSE: cis-acting element involved in heat stress responsiveness.

XXX – Circadian: cis-acting regulatory element involved in circadian

control.

Figure S9 – Analyses of the cis-acting regulatory elements present in the QQS genomic loci. We used the

PlantCARE tool (Lescot et al., 2002) to search for regulatory motifs at the genomic and adjacent sequence of

QQS. The figure shows several motifs considered important to expression regulation in response to light (colored

blocks). A brief description of each motif is available. Moreover, a lot of CAAT-box 7 TATA-box motifs, a

common cis-acting element in promoter and enhancer regions, were found but not indicated in the figure.

Figure S10 – ROS1 structure, expression along leaf development and ros1 mutant genotyping. A) Figure

modified from Penterman et al. (2007) showing the structure of the ROS1 glycosilases and the T-DNA insertions

(arrows). Exons are boxed regions and introns are lines. Blue exons encode the helix–hairpin–helix DNA

glycosylase domain, and pink and orange exons encode conserved domains of unknown function. B) ROS1

expression in the same material used in fig. 6. Meristematic regions containing shoot apical meristem (Mer) cells

and rosette leaves 1-2 (first to emerge, RL 1-2) and 3-4 (younger leaves, RL 3-4) were sampled from 21 and 31

day-old plants (plant details on fig. S7). Total RNA was extracted and QQS expression was measured by RT-

qPCR. ROS1 showed null or altered expression in ros1 mutants in relation to wt. The expression of PDF2 and

UBI genes were used to normalize expression analyses. C) Genotyping of wt and ros1-4 plants by conventional

PCR. The figure shows an agarose gel with different bands containing the products of amplification and it was

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used to identify the genotypes. L - 1kb ladder, wt - wild-type plants carrying QQSme

; ros1 – ros1-4 mutants and

Neg. – the PCR negative control.

Figure S11 – Analysis of QQS expression during leaf development of wild-type and ros1 mutant. This

experiment constitutes a repetition and confirmation of the data shown in figure 4. A) Relative QQS expression

in dissected leaves and meristematic region of plants of different ages. QQS expressions in leaves were

normalized for each genotype in relation to the respective expression value in the meristem. The folds of QQS

expression in ros1-3 and ros1-4 relative to wild-type (wt carrying QQSme

epiallele) are shown and QQS is less

expressed in both ros1 mutants. B) and C) Absolute expression analyses of meristem-specific genes

(AINTEGUMENTA and SHOOTMERISTEMLESS) used as controls of the degree of enrichment in meristem

cells. The endogenous controls PDF2 and UBI were used to normalize expression analyses. The initials RL

followed by numbers means the order of leaf formation in the rosette, being RL1-2 the older ones.

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Figure S12 – QQS expression in the F2 segregating population resulting from selfing of the heterozygous

ROS1+/-

genotype. In order to evaluate the influence of ROS1 in QQS expression, wild-type plants (wt, female

parent) was crossed with ros1-4 (male parent), generating the double heterozygous QQSme

/QQSros1-4

and

ROS1/ros1-4, and the 69 plants of the segregating F2 population were analyzed in comparison to the parental

genotypes (F0). The ros1-4 mutant carries a T-DNA insertion (Penterman et al., 2007) and the plants genotypes

(ROS1+/+

, ROS1+/-

and ROS1-/-

) were determined by PCR (see Fig. S10-C) and the proportion of the genotypes

fits the 1:2:1 proportion (χ² = 1,1739 and p = 0,5560). QQS expression was conducted after RNA extraction of

the rosette leaves 6 to 9 of individual plants (31 day-old) and measured by RT-qPCR. The parental wt and ros1-4

(F0) were analyzed in four biological replicates and the endogenous controls PDF2 and UBI were used to

normalize expression analyses.

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Figure S13 – Comparative analysis of starch accumulation between plants carrying the contrasting

epialleles QQSme

and Col*3-16. The figure shows that plants carrying the less expressed QQS epiallele (QQSme

)

accumulate more starch at the end of day and end of night than plants carrying the more expressed epiallele

Col*3-16. A) Starch analyses of 9 day-old seedlings cultivated in MS/2 media supplemented with 0.5% sucrose.

B) Expression analyses in the same tissues used in A and normalized with the endogenous controls ACTIN and

PDF2. C) Starch analyses of 42 day-old plants cultivated in soil. Plants were cultivated in long day conditions

(16 hour of light and 8 of night) and the starch analysis was made with 5 biological replicates containing 6 plants

for each genotype (30 plants in total). This result is in accordance with Fig. 10 and the notion that QQS is a

negative regulator of starch accumulation (Li et al., 2009; Seo et al., 2011).

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Figure S14 – Expression analyses of genes involved DNA methylation regulation. QQS and several genes

related to demethylation, de novo methylation (RdDM) and methylation maintenance pathways were analyzed

regarding its expression at plant organs. Expression levels of enzymes involved in DNA methylation

maintenance were lower in leaves in relation to meristems supporting the hypothesis of a passive demethylation

of QQS throughout leaf development. L – Leaf and M – meristem. Data collected from GENEVESTIGATOR

tool (Hruz et al., 2008), which gathers a lot of microarray data and provides a normalized and statistical analysis

Figure S15 - QQS methylation profile in the vegetative spermatic nucleus of the pollen of wt and dme/+

plants. QQS methylation is lost in the vegetative nucleus (VN) in relation to the spermatic ones and partially

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restored by the dme/+ mutation. This result points the participation of DEMETER in this active demethylation

process. The image corresponds to the region 12348429-12350350 pb of the third Arabidopsis chromosome

(DMR n° 46) kindly analyzed and provided by Filipe Borges (prof. Martienssen’s lab, Cold Spring Harbor,

EUA) from the combined data generated by Calarco et al., 2012 and Ibarra et al., 2012.

Figure S16 – A schematic figure of the binary vector containing the QQS:GUS cassette. QQS promoter and

5’UTR (pro+5’UTR QQS) was amplified by PCR and cloned into pGEM T-easy vector (left figure). GUS

sequence was digested and transferred from pBI121 plasmids to the pFP101-HA plasmid (right figure) forming

the base vector pFP-GUS. After enzyme digestions and DNA agarose purification, pro+5’UTR QQS was cloned

in the pFP-GUS binary vector substituting CaMV35S-Pro. The final plasmid was inserted into Agrobacterium

tumefaciens GV3101::pMP90 (Koncz et al., 1986) and used for in planta Arabidopsis transformation.

References of the supplementary material

Calarco JP et al. (2012) Reprogramming of DNA Methylation in Pollen Guides Epigenetic Inheritance via Small

RNA. Cell, 151:194–205

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CONCLUSÃO

O gene órfão QQS apresenta um padrão de expressão específico nos órgãos de

Arabidopsis thaliana que é parcialmente determinado pelos níveis de metilação presentes em

seu lócus. Mostramos neste trabalho que o perfil de metilação de QQS é um elemento

importante para definir o padrão de expressão durante o desenvolvimento vegetativo. Por

exemplo, epialelos demetilados apresentam expressão mais homogênea entre órgãos e um

padrão decrescente com a idade das folhas enquanto o epialelo metilado apresenta expressão

mais variável e oposto com a idade das folhas. As principais diferenças nos níveis de

metilação ocorrem na região próxima ao sítio de início da trasncrição e 5’UTR sugerindo que

a metilação dessas regiões são responsáveis pela alteração do padrão de expressão. Em folhas,

o epialelo metilado QQSme

é mais expresso e menos metilado do que em outros órgãos

formados posteriormente e, assim, levantamos a hipótese de que uma reprogramação ocorra a

partir do meristema. De acordo com isso, mostramos que a expressão de QQSme

aumenta

progressivamente ao longo do desenvolvimento foliar, entretanto uma demetilação somente

foi observada em folhas mais velhas indicando ser este um processo dependente da idade.

Foram observadas também variações na expressão de QQS em órgãos independente de

variações nos níveis de metilação. Isso indica que outros fatores trans também são

importantes para definir a expressão de QQS e um potencial candidato seria o fator de

transcrição IDD14 que foi descrito como um regulador de QQS (Seo et al., 2011). Avaliamos

se a demetilação de QQSme

em folhas seria mediada pela DNA glicosilase ROS1 e os

resultados indicam que, embora ROS1 não seja necessária para demetilação de QQS durante o

envelhecimento foliar, ROS1 está envolvida no estabelecimento do nível de expressão de

QQS. Adicionalmente, dados da literatura indicam que o lócus de QQS apresenta

hipermetilaçao em diversos mutantes ros1 (Gong et al., 2002; Cokus et al., 2008; Lister et al.,

2008; Agius et al., 2006; Zhu et al., 2007; Qian et al., 2012) e também é demetilado em

plantas infectadas com Pseudomonas syringae pv. Tomato (Pst; in Table S3 of Dowen et al.,

2012) cuja parte da resposta imune parece ser desencadeada por ROS1 (Yu et al., 2013; Le et

al., 2014). Esses resultados indicam que QQS é um alvo de ROS1. Recentemente, foi descrita

uma relação antagônica entre ROS e RdDM para balancear os níveis de metilação celulares

(Lei et al., 2015; Williams et al., 2015). Assim, sugerimos que ROS1 poderia atuar em

equilíbrio dinâmico para proteger lócus específicos contra hipermetilaçao e o desbalanço

desse equilíbrio por influência de fatores ambientais poderia contribuir para geração de

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epialelos. Proteínas capazes de reconhecer sítios metilados podem ser importantes nesse

processo, pois, recrutam remodeladores de cromatina e facilitam a ação de ROS1 (Zemach

and Grafi, 2007; Lang et al., 2015). Dessa forma, a metilação do DNA pode ser interpretada

como um sinalizador atraindo ou excluindo outros fatores ativadores e repressores da

transcrição (Medvedeva et al., 2014; Domcke et al., 2015; Li et al., 2015b). Isso poderia

explicar porque epialelos QQS metilados apresentam padrões similares de expressão, mas

esse padrão é modificado qualitativamente com a diminuição dos níveis de metilação.

QQS também apresenta regulação epigenética durante o desenvolvimento

reprodutivo onde uma reprogramação epigenética foi descrita (Slotkin et al., 2009) e esse

processo é dependente de DEMETER na gametogênese (Calarco et al., 2012; Ibarra et al.,

2012). Entretanto, o significado biológico dessa regulação não foi descrito. Por outro lado,

diversos trabalhos demonstram que QQS é um regulador negativo da síntese de amido (Li et

al., 2009; Tsutsui et al., 2015) e impacta o crescimento das plantas em condições de frio (Seo

et al., 2011). De acordo com isso, nossos resultados indicam diferenças entre epialelos QQS

contrastantes para o acúmulo de amido. Arendsee et al. (2014) sugere que QQS integra

diversos sinais ambientais para regular o crescimento sob diferentes condições via regulação

do amido. Assim, a variação epialélica natural de QQS (Silveira et al., 2013) poderia de fato

desempenhar um papel no controle do crescimento vegetal e, consequentemente, afetar o

fitness da planta. Entretanto, para comprovar essa sugestão, o acúmulo de amido deve ser

analisado em maiores detalhes envolvendo outros genótipos, tais como, epiRILS e diferentes

condições de crescimento, nos quais a expressão de QQS seria alterada. QQS apresenta função

na regulação do amido mesmo quando transferido para outra espécie onde a princípio não está

presente (Li e Wurtele, 2014). Isso expande ainda mais as aplicações agronômicas dos genes

órfãos e reforça a importância da conservação da biodiversidade já que cada espécie

apresenta, em geral, de 5 a 15% de genes órfãos (Arendsee et al., 2014).

PERSPECTIVAS

Comparar a quantidade de amido entre linhagens EpiRILS de Arabidopsis que diferem

quanto ao nível de metilação em QQS e, também em outros genótipo de interesse para

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reforçar a idéia de que o estado epigenético de QQS pode influenciar no crescimento da planta

e contribuir para processos adaptativos.

Avaliar o fenótipo de crescimento de plantas carregando epialelos QQS contrastantes

em diferentes condições de fotoperíodo para verificar o envolvimento de QQS em processos

adaptativos.

No intuito de entender como epialelos QQS são formados, poderia ser avaliado se a

expressão de QQS é afetada por estresses abióticos e os efeitos sobre a metilação do DNA. A

hipótese a ser testada é de que o excesso de luz induz transcrição de QQS e promove sua

demetilação que, por sua vez, poderia regular o excesso de amido produzido nas folhas sob

essa condição garantindo maior eficiência na relação metabolismo versus

desenvolvimento/envelhecimento.

Qual seria a tendência da alteração dos níveis de metilação em epialelos com valores

entre QQSme

e Col*3-2, aumentar, não alterar ou diminuir ao longo das gerações? Para

responder essa questão, deverá ser analisada a herança transgeneracional dos epialelos QQS

intermediários. Essas análises poderão ser combinadas com estresses induzindo enzimas da

via RdDM ou ROS1 para verificar se o equilíbrio dinâmico é desbalanceado para aumento ou

diminuição da metilação.

Avaliar a hipótese de que a perda de ROS1 leva a remetilação de QQS por meio da

introgressão da mutação ros1-4 em uma planta carregando um epialelo QQS demetilado. A

ausência de ROS1 poderia desequilibrar a regulação do lócus e permitir remetilação?

Similarmente, avaliar se mutações para enzimas da via RdDM quando introgredidas em

plantas carregando um epialelo QQS metilado induzem a perda de metilação.

Testar a hipótese de que o fator de transcrição IDD14 impede a remetilação do lócus de

QQS ou, em outras palavras, testar se a transcrição promove a demetilação por ocupação do

sítio de início da transcrição.

Análise da via de controle epigenético que atua sobre epialelos QQS definindo padrões

de expressão, em especial, a participação da enzima DICER-like 4 na manutenção da

metilação.

Analisar como o lócus do epialelo metilado QQSme

é reconhecido e regulado por ROS1.

Dentre as hipóteses, pretende-se avaliar a participação de ROS3 na regulação de QQS, uma

enzima que pode se associar a pequenos RNAs e capaz de interagir com ROS1.

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Investigar a possibilidade de QQS desempenhar um papel no desenvolvimento do pólen

por meio da análise comparativa de entre o mutante T-DNA/TE qqs-1 (WiscDsLoxHs077) e

plantas wild-type.

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ANEXOS

Anexo I – Primeira página do artigo publicado “An efficient method for simultaneous

extraction of high-quality RNA and DNA from various plant tissues”

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Anexo II – Declaração de Bioética e Biossegurança

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Anexo III – Declaração referente aos direitos autorais