4.3. Les transposons *

- séquences d'ADN particulières, présentes dans tous les génomes, qui peuvent se déplacer d'un endroit à un autre d'un génome

- deux grands modes de transposition :

transposition réplicative(copy-and-paste)

transposition conservative(cut-and-paste)

* : éléments transposables

4.3.1. Définition

réplication

transposition « cut-and-paste »

La transposition conservative couplée à la réplication peut conduire à la duplication du transposon

- certains transposons sont aussi capables de se propager d'une cellule à une autre, soit par conjugaison (transposons conjugatifs ou mobilisables), soit à la manière des virus (emballage dans une capside de protéines)

- grande diversité de transposons du point de vue :

- du mécanisme de transposition - de la sélectivité des sites de transposition - de la taille : de qqes centaines de pb à qqes dizaines de milliers de pb - du contenu en gènes

- contribution importante à l'évolution des génomes (acquisition de nouveaux gènes issus de transposons, réarrangements du génome, ..)

!! En particulier, la duplication des gènes (un “moteur” important de l’évolution) est favorisée par les transposons !! (cf. plus loin)

- des transposons se transposent souvent dans d’autres éléments génétiques mobiles (par ex. des plasmides)

4.3.2. Exemples de transposons bactériens

Eléments IS (insertion sequence) :

séquences terminales inversement répétées

séquences directementrépétées (dupliquées)

tnp : transposase; inh : inhibiteur de la transposase

transposition

transposons composites

(gènes flanqués de deux IS, L et R, dont un est souvent dégénéré)

transposons non composites

(gènes flanqués de séquences inversement répétées)

Transposons bactériens plus complexes :

Gènes de résistance à des antibiotiques : tet : tétracycline; str : streptomycine; ble : bléomycine ; bla : ampicilline ; nptl : kanamycine

tnp : transposase; tnpR : régulateur de la transposase

4.3.3. Un exemple de mécanisme de transposition de type "cut-and-paste"

5'----XXXXXX-----3'3'----YYYYYY-----5'

5'---- 5'XXXXXX-----3'3'----YYYYYY5' -----5'

coupure

5'---- -XXXXXX-----3'3'----YYYYYY- -----5'

ligature du transposon

5'----XXXXXX- -XXXXXX-----3'3'----YYYYYY- -YYYYYY-----5'

réplication, ligation

(= séq. inversement répétées)

répétition directe de la séquence

Certains transposons ont acquis la propriété de pouvoir se propager d’une cellule à l’autre, soit par conjugaison, soit selon une la stratégie des virus :

ex. Tn916 (transposon conjugatif), 18.7 kpb

4.3.4. Propagation des transposons

ex. bactériophage Mu (virus), 36.7 Kpb

4.3.4. Les transposons chez les eucaryotes

a) Découverte de Barbara McClintock (1902-1992)

Ac : Ds :

Transposon codant une transposase Transposon de type Ac mais dégénéré et incapable de coder la transposase (mais peut

être transposé)

Ds : "dissociator" ou "mutator gene"

Ac : "activator" of Ds

L’excision du Ds se produit dans un petit nombre de cellules (phénomène rare) au cours du développement de la graine –celles-ci (et leur descendance) deviennent alors pigmentées.

b) Deux catégories de transposons chez les eucaryotes :

- DNA transposons : transposons proches des t. bactériens (ex. Ac/Ds du maïs)

- rétrotransposons = t. réplicatifs

ex. éléments Ty de la levure, Copia de la drosophile, THE1 de H.sapiens.…

Transcription inverse catalysée par la transcriptase inverse (codée par le gène pol du rétrotransposon)

Insertion catalysée par l’intégrase(aussi codée par le gène pol )

Ty1 (~ 6 kpb) :

LTR 5’ LTR 3’gag pol

LTR : long terminal repeat(séquences directement répétées)

Maturationen ARNm, traduction

soit

soit

Les rétrotransposons appartiennent à une classe plus vaste d’éléments génétiques mobiles appelés " rétroéléments " :

*

*

* Long / Short Interspersed Nuclear Elements

ex. séquence Alu

(env. 900.000 dans le génome de H.s.)

(env. 106 dans le génome de H.s.)

rétr

oélé

men

ts a

vec

LTRs

(d

e ty

pe r

étro

vira

l)ré

troé

lém

ents

san

s LT

Rs

ERV : endogenous retroviral elements

Transposition réplicative de LINE-1

Une endonucléase codée par L1 clive un brin de l'ADN génomique (séquence TnAn, entre T et A) -> brin 3’ flottant avec polyT terminal.

Une copie ARN de LINE-1 (par transcription) s'hybride sur le polyT "flottant" et fournit une matrice pour la synthèse (par transcription inverse) d'un ADN complémentaire (cDNA) du L1.

Une seconde coupure par l'endonucléase L1, légèrement décalée de la première, génère une extrémité 3' à partir de laquelle le second brin du LINE-1 est polymérisé.

Extension de l’extrémité 3’ du L1 (brèche comblée).

Une courte séquence (celle qui suit le polyA, ici TACT) est maintenant dupliquée (répétition directe). Les deux copies encadrent le L1.

Type de répétition Sous-type Nombre de copies

Type et nombre estimé de transposons dans le génome humain :

La séquence de toute la grosse majorité de ces éléments a dégénéré, ils ne sont donc plustransposables. Les seuls encore fonctionnels sont certains SINEs et LINEs. Par ex. une petitecentaine d’éléments LINE-1 sont toujours fonctionnels, leur transposition occasionnelle dansdes gènes est à l'origine d'une soixantaine de maladies génétiques.

Ce ERV s'est propagé il y a moins d'un million d'années

(ERV = endogenous retrovirus)

rétroélements

Plus de 40% de l’ADN humain correspond à des rétroéléments :

Les ERVs (endogenenous retroviral elements) :

- plusieurs vagues d'infection / expansion durant l'évolution des primates - bien qu'inactifs auj., ces ERVs sont associés à certaines pathologies dont des cancers : certains contiennent des oncogènes, qui bien que silencieux peuvent être "réactivés" suite à des mutations, des recombinaisons génétiques, ...

- probablement dérivés de plasmides et de transposons ..

- ex. : bactériophages : lytiques (ex. T4, T7) et tempérés (ex. lambda)

bactériophage T4

tête

col et collier

tube central (non visible) entouré d'une gaine

plaque basale

fibres

- particularité des virus: génome (= partie infectieuse) emballé dans une capside de protéines (l’ensemble = virion) ® = système de propagation

4.4. Les virus

Cycle lytique (ex. T4)

Adsorption et injection

- 3 à 5 min : expression de gènes précoces (> neutralisation des activités cellulaires) et ensuite des gènes intermédiaires (> dégradation de l'ADN bactérien, synthèse de l’ADN pol, et d'ATP, dGTP, dTTP, dHTP, H=hydroxy-méthyl-cytosine)

- Dès 5 min : réplication de l'ADN phagique –couplée à partir de 7 min. à l'expression des gènes tardifs codant surtout pour les protéines de la capside

- Dès 13 min : assemblage séparé des parties tête, queue, fibre –assemblage final couplé à l'entrée de l'ADN dans les têtes.

- A 25-30 min : lysosyme synthétisée, lyse cellulaire, libération des virions (100 à 200 / cellule).

Comment expliquer les vagues successives d'expression de gènes ?

- Gènes précoces : promoteur reconnu par ARN pol + facteurs accessoires de E. coli

- Gènes intermédiaires : promoteur reconnu par ARN pol de E. coli + facteurs accessoires « précoces »; le produit de certains gènes intermédiaires répriment l’expression des gènes précoces

- Gènes tardifs : promoteur reconnu par ARN pol de E. coli + facteurs accessoires «intermédiaires »; le produit de certains gènes tardifs répriment l’expression des gènes intermédiaires

4.5. Plasmides, virus, transposons : mutualisme, commensalisme, ou parasitisme ?

Rappel : trois types de relations inter-organismes en biologie :

Parasitisme : au bénéfice d’un des partenaires et au détriment de l’autreCommensalisme : au bénéfice d’un des partenaires mais sans affecter l’autreMutualisme (1) : au bénéfice des deux partenaires

Pour la plupart des virus ® parasitisme (mais degré variable de virulence)

Pour la plupart des plasmides ® parasitisme (charge pour la bactérie), mais aussi mutualisme (apport de gènes d’adaptation)

Pour les transposons ® plus controversé…

® peuvent inactiver des gènes (néfaste)® … ainsi, la plupart des espèces ont développé des systèmes de " défense "

capables de limiter la transposition ® mais apportent parfois des gènes d’adaptation au milieu ® de plus, ils contribuent aussi à la diversité génétique de l’espèce

(1) symbiose, dans la définition européenne – pour les anglo-saxons, le terme symbiose couvre les trois types de relations

Les événements de recombinaison homologue (cf. chap. II) au niveau de séquencesrépétées (ex. transposons, LINEs, SINEs) conduisent à des réarrangementschromosomiques: insertions, délétions, inversions, translocations, mais aussi desduplications en tandem ® favorise la dynamique et donc l'évolution des génomes

"crossing-over inégal" entre deux chromo-somes homologues :

conduit à la duplication en tandem de gènes, un moteur important de

l'évolution

1, 2, 3, 4 : gènes successifs le long d’un chromosome

r.h. intrachromosique entre 2 séquences directementrépétées

r.h. intrachromosique entre 2 séquences inversémentrépétées

r.h. entre 2 chr. différents

La plupart des espèces se défendent contre l’invasion des transposons …

- Ex. : vagues successives d'invasions rétrovirales chez les primates : pourquoi sont-ils dégénérés et silencieux auj. ?

Hypothèse : développement par l'hôte de mécanismes permettant d'éteindre l'expression de ces ERVs (idem pour rétrotransposons), lesquels tendent ensuite à dégénérer, par accumulation de mutations.

Travaux récents (2014) : famille de gènes KZNF (Krab zinc-finger), qui a connu une forte expansion chez les primates : codent pour des protéines qui se lient aux SINE, LINE, ERV .. et recrutent des facteurs qui répriment l'expression de ces rétroéléments. Mais certains éléments LINE-1 ont acquis secondairement des mutations empêchant une laison efficace de ces facteurs.

Tc1 : transposon de type IS, code pour une seule protéine, la transposase, qui se lie aux séquences terminales inversément répétées

- Ex. : le transposon Tc1/mariner du nématode Caenorhaditis elegans, mobile uniquement dans les cellules somatiques (pas dans les cell. germinales), sauf chez certains mutants (lignée "mutator") : pq ?

1. Transcription "au travers" des TC1, (présents par ex. dans des introns de gènes)

2. Formation d’ARN double-brin (par hybri-dation des zones TC1) qui migre vers le cyto-plasme

3. Clivage en "petits ARNs interférants" (siRNAs, 22-25 nt) par une RNAse (« Dicer »)

4. Le complexe RISC (RNA-induced silencing complex) s’associe aux siRNAs, sépare les deux brins et éjecte l’un d’eux; le brin restant (ARN guide) permet à RISC de lier un ARNm complémentaire (et donc, ici, celui de la transposase), qui est alors clivé ® arrêt de synthèse de la transposase

Les cellules germinales du nématode C. elegans inhibent la transposition du

transposon Tc1/mariner

1

2

3

4

rem.: les souches « mutator » de C. elegans sont déficientes pour l’inhibition de la transposition; elles produisent des gamètes comportant un nombre anormalement élevé de mutations (par transposition du TC1).

- Le système enzymatique de l’ARN interférent (Dicer/Risc) existe dans la majorité des espèces eucaryotes (inhibition de transposons, rétrotransposons, de virus, ..)

- Chez les espèces eucaryotes supérieures, l'activité des enzymes Dicer/Risc a secondai-rement été "détournée" pour développer de nouveaux mécanismes de régulation négative agissant sur des ARNm et basés sur la synthèse de microARNs (miRNAs) (env. 800 chez H. sapiens )

http://nobelprize.org/

- Un moyen expérimental simple pour empêcher la synthèse d’une protéine dans une cellule est d’y injecter (ou d’y exprimer) un petit ARN double-brin (ARN interférent) dont un des brins est complémentaire de l’ARNm de cette protéine Þnombreuses application en recherche

- Andrew Fire et Craig Melo ont reçu le prix Nobel de médecine et physiologie en 2006 pour avoir découvert le principe du RNAi chez le nématode Caenorhabditis elegans

A propos de l’ARN interférent