Fluidité des génomes, rôle des éléments transposables

Bonnivard, Eric et Higuet, Dominique

UMR 7138

Systématique, Adaptation, Evolution

Equipe : Génétique et évolution

Espèces taille du génome

en Mb

E.T. en % du génome

Saccharomyces cerevisiae

Dictyostelium discoideum

Caenorhabditis elegans

Arabidopsis thaliana

Drosophila melanogaster

Fugu rubripes

Oriza sativa

Zea mays

Homo sapiens

Mus musculus

Hordeum vulgare

Vicia faba

12

34

97

125

180

400

430

2 500

3 300

3 250

5 000

13 000

3%

10%

6%

14%

15-20%

2%

14%

60%

44%

40%

55%

>75%

Importance des éléments transposables dans les génomes

Diversité des éléments transposables : mode de transposition

IntermédiaireARN

IntermédiaireADN

Transcription inverse ADNc

Transcription inverse

au site d’insertion ADNg

Intégration dans le génome par une intégrase

Intégration dans le génome par une

Tyrosine Recombinase

Excision d’un site donneur

intégration à un site receveur

Transposition

Transposons

LINE - SINE

Rétrotransposons à LTR

Dirs

LINEs (Long Interspersed Nuclear Elements)

SINEs (Short Interspersed Nuclear Elements)

EN RTORF (TAA)n

tRNA-relatedregion

tRNA-unrelatedregion

AT-richregion

A B

A et B séquences consensus du promoteur RNA polymerase III

(TAA)n

Taille: 1 000 à 7 000pb

Taille : 100 à 500pb

Diversité des éléments transposables : structures

Transposons

ITRITR

Taille: 300 à 5000 pb

Ty3/Gyspy/Pao PR IntRT RH

Pol

Gag LTR LTR

Ty1/Copia PR Int RT RH

Pol

Gag LTR LTR

Dirs/Pat RT RHPol

Gag

Dirs1

MT

YR

RT RHPol

Gag MT YR

Kangaroo

Diversité des éléments transposables : structures

Rétrotransposons à LTR

Dirs

Diversité des éléments transposables : séquences

Ty3/gypsy

Pao/Bel

E.T. Levure

Nématode Arabette Drosophile Homme

LTR

Nb copies

Nb familles

% génome

LINE-SINE

Nb copies

Nb familles

% génome

Transposons

Nb copies

Nb familles

% génome

331

5

3.1

0

0

0

0

0

0

24

1

0.1

611

12

0.4

3083

12

5.3

1594

70

6.4

515

10

0.7

2203

80

6.8

317

22

87

5

82

4

443 103

104

8.3

2426 103

6

33.6

294 103

63

2.8

Répartition des différents types d’éléments transposables

Histoire d’ invasions

1930

1930-40

1950

LINE

Hobo transposon

P transposon

Particularité de D. melanogaster:

Invasion du génome par 3 éléments transposables différents

Invasion du génome d’une espèce suite à un transfert horizontal

1) Seulement des souches vides avant 1950

C) L’élément P de D. melanogaster est identique à 99% de celui de l’espèce D. willistoni (Amérique central)

A) Une invasion bien documentée

B) L’élément P est absent des espèces proches du sous-groupe melanogaster

3) Dernière souche vide observée en central Eurasie au milieu des années 1970s

2) Première souche avec des éléments P en Amérique centrale au début des années 1950s

Cycle de vie d’un élément transposable

Acquisition par transfert horizontal

Perte par dérive ouAmplification du nombre de copies

(invasion du génome puis de l’espèce)

Acquisition des systèmes de régulationPeu ou pas de transposition, stabilisation

du nombre de copies

Extinction:Immobilisation par mutation. Perte par dérive, délétion et accumulation de mutations

Conservation: du fait de leurs impacts sur les

génomes

Re-mobilisation suite à des stress

Transfert horizontal

Impact des éléments transposables sur le génome

-En tant que séquences répétées : ~ remaniement chromosomique ~ exon « shuffling »

- Du fait de leur insertion dans des gènes:

~ modification des transcrits~ exon « shuffling »

- régulation de l’expression des gènes

- Du fait de leur recrutement par le génome

Recombinaison ectopique et remaniement chromosomique

-Inversion chromosomique

-Délétion chromosomique

antennapedia

responsible for dominant phenotype

DOC DOC

transcription transcription

Recombinaisonectopique entraînant un échange des premiers exons de

chacun des gènes

Recombinaison ectopique et échange d’exons

D'après Schneuwly et al., 1987, EMBO J. vol 6.

La Drosophile possède des pattes à la place des antennes

Impact des éléments transposables sur le génome

-En tant que séquences répétées : ~ remaniement chromosomique ~ exon « shuffling »

- Du fait de leur insertion dans des gènes:

~ modification des transcrits~ exon « shuffling »

- Régulation de l’expression des gènes

- Du fait de leur recrutement par le génome

Chez l’homme:27% des gènes présentent dans leur 5’ ou 3’ UTR un ET

4% des gènes présentent un ET dans leur séquence codante

Chez la souris:18% des gènes présentent dans leur 5’ ou 3’ UTR un ET

Eléments transposables (ETs) et évolution des gènes

D'après Van de Lagemaat et al., 2003,TRENDS in Genetics Vol. 19.

Création de nouveaux promoteurs

LTR LTR

gag pol

Formation de LTR solo

U3 R U5

Initiation de la transcription

Terminaison de la transcription

Création de nouveaux exons

Un élément transposable peut créer un nouvel exon en s’insérant dans un gène.

Cela peut arriver quand il s’insère dans un exon existant, mais il est alors souvent contre sélectionné.

Cela peut arriver quand il s’insère dans un intron, il crée alors un gène codant alors une protéine avec un nouveau domaine. Il peut alors être sélectionné positivement ou négativement, ou encore fixé par dérive.

OU

Brassage d’exons

Gène A

exon 1 exon 2 exon 3 exon 4

Gène B

exon a exon b exon c

exon 2

Gène B

exon a exon b exon cexon 2

E.T. E.T.

seq. terminale répétée

seq. terminale répétée Excision par l’intermédiaire

de la transposase

Impact des éléments transposables sur le génome

-En tant que séquences répétées : ~ remaniement chromosomique ~ exon « shuffling »

- Du fait de leur insertion dans des gènes:

~ modification des transcrits~ exon « shuffling »

- régulation de l’expression des gènes

- Du fait de leur recrutement par le génome

Télomèrase et Rétrotransposons

Chez la Drosophile absence de télomérase pour maintenir l’intégrité des chromosomes après chaque réplication.

Un élément transposable de type LINE assure cette fonction, après chaque réplication il transpose de façon spécifique à l’extrémité des chromosomes.

Ici c’est bien la capacité à transposer qui a été retenue par la sélection naturelle

Vsegments

Dsegments

Jsegments

Régionconstante

La recombinaison V(D)J

Locus Ig H lignée germinale

Locus Ig Hcellule B

(D’après Sadofsky 2001 Nuc. Ac. Res. 29(7), 1399-1409)

L’excision des fragments V(D) et D(J) qui génére la variabilité des immunoglobulines, a pour origine un élément transposable de type transposon

Comment considérés les éléments transposables d’un point de vue évolutif ?

ADN parasite

Forte capacité d’invasionMutations dues aux insertions

(effet délétères corrélés au nombre de copies)

Au début de leur cycle de vie

MAIS

Ils participent à leur propre régulation

Facteurs majeurs de la plasticité et l’évolution des génomes

Recrutement par le génome

“mutualiste”

A la fin de leur cycle