Transposons à ADN et

gènes domestiqués

Ludivine SINZELLEPost-doc, Laboratoire Epigenomics

Génopole, Evry

Parcours

mécanisme de transposition des transposons à ADN PIF/Harbinger 

Etude de la fonction des protéines domestiquées HARBI1 et NAIF1 chez les vertébrés 

DEA :Université TOURS, Institut de Recherche sur la Biologie de l’Insecte (1 an)

Dévelopement de vecteurs de transfert de gènes basés sur le transposon mariner MosI (C. Augé-Gouillou, Y. Bigot)

Doctorat :Université Paris XI, Orsay, Transgenèse et Génétique des Amphibiens (4 ans)

Caractérisation des transposons Tc1-mariner chez le xénope et utilisation du transposon Sleeping Beauty en transgenèse germinale (A. Mazabraud)

Post-Doctorat 1 : Max Delbrück Center, Berlin, Transposition group, Z. Ivics (3 ans)

Post-Doctorat 2 :Université Evry, Epigenomics, N. Pollet

Etude de la fonction des protéines domestiquées HARBI1 et NAIF1 chez le xénope

Transgenèse par production de spermatozoïdes génétiquement modifiés chez le xénope

Plan

I. Transposons à ADN

II. Gènes dérivés de transposons ou transposons domestiqués

- Définition et caractéristiques- Diversité structurale- Diversité évolutive- Diversité fonctionnelle exemples

- Classification des ETS- Structure, mécanisme de transposition, classification propre- Etude des transposons à ADN???

II. Exemple de protéines domestiquées

- SETMAR- NAIF1/HARBI1

Eléments transposables (ETs)

Définition: Séquences d’ADN répétées qui ont la capacité de se déplacer (=transposer) d’un locus à un autre au sein d’un génome

-« Parasite moléculaire ou génétique »-« ADN égoïste » Chez l’hôte

Pas de rôle biologique

Classification des ETs

- 2 classes selon le mécanisme de transposition (Finnegan, 1989)

ARN

ARN pol

RT

intégrase

transposase transposase

ADN génomique

Classe I ou rétrotransposon

Classe II ou transposon à ADN

ADN

ADN

Transposition copier-coller

Transposition couper-coller

ET

Classification des transposons à ADN

Sous-classe 1

classe II (transposons à ADN)(Wicker et al., 2007)

Sous-classe 2

Ordre ITR Ordre Crypton Ordre Helitron Ordre Maverick

Superfamilles

Familles

Crypton Hélitron Maverick

sous-familles

lignées

Structure générale des transposons à ADN

Transposase gene

2500 bp

50 bp

ITR=Inverted Terminal Repeat

DBD=DNA binding domain- ZnF- HTH

Fixation spécifique des ITRS

Nterm- -Cterm

NLS Domaine catalytique -DDE/D triade catalytique

5’UTR 3’UTRintron

Transposase

-Sous-classe I, ordre ITR

Mécanisme de transposition de type « cut-and-paste »

ADN donneur

TAAT

TAAT

ADN cible

Duplication TSD

TAAT

TAAT

TAAT

TAAT

Intégration

TAAT

TAXX ATAT XXTA

TAXXATATXXTA

Excision

Cicatrice d’excision

TSD TSD

Signature moléculairetransposition

Transposon Tc1-mariner

Réparation de l’ADNpar l’hôte

9 Superfamilles de transposons à ADN eucaryotes

Superfamily Length (kb) TIRs (bp) TSDs(bp) encoded proteins DBD Catalytic coreTc1-mariner 1.2-5.0 17-1100 2 (TA) Tnp HTH (D, D, E/D) Tnp

hAT 2.5-5.0 5--27 8 Tnp BED ZnF (D, D, E) TnpMutator 1.3-7.4 0-several kb 9--11 Tnp WRKY/GCM1 ZnF (D, D, E) TnpMerlin 1.4-3.5 21-462 8--9 Tnp nd (D, D, E) TnpTransib 3--4 9--60 5 Tnp nd (D, D, E) TnpP 3--11 13-150 8 Tnp THAP ZnF nd

piggyBac 2.3-6.3 12--19 4 (TTAA) Tnp nd ndPIF/Harbinger 2.3-5.5 15-270 3 (CWG or TWA) Tnp + Myb-like protein Myb/SANT (D, D, E) TnpCACTA 4.5-15 oct-54 2--3 Tnp A + TnpD nd nd

Subclass 1/ Order TIR

-Similitude de séquence des transposases

-Caractéristiques structurales Longueur et séquence ITRs/TSDs

- Nature des domaines fonctionnels DBD (motif HTH ou ZnF) Domaine catalytique

Présence d’une 2 ORFs pour 2 superfamilles: CACTA et PIF/Harbinger

Eléments autonomes et non-autonomes

Eléments autonomes Eléments non-autonomes

MutationsDélétions

- Eléments actifs

- Eléments défectifs

- MITEs=Miniature Inverted-repeat Transposable Elements

Cis

Trans

transposons à ADN actifs

Naturels Synthétiques

- Elément P (Drosophile)

- Tc1 (C. elegans)

- Impala, Fot1 (F. oxysoparum)

- Sleeping beauty (poisson salmonidé)

- PiggyBac (insecte)

- Himar1 (H. irritans)

- Frog Prince (R. pipiens)

- Harbinger3_DR (D. rerio)

Vecteurs de tranfert de gènes

+ versions hyperactives

Feschotte and Pritham, 2007

ETs représentent 45% du genome humain !!!

Hua-van et al, 2005

Abondance

Répartition

Pourquoi étudier les TEs?

Impact sur l’évolution et la fonction des gènes et génomes

Mise au point de vecteurs pour la thérapie-génie ou pour la mutagenèseinsertionnelle

- expression des gènes- mutations : duplications, insertions, deletions Maladie génétique

Biologie propre des transposons

Conséquences néfastes Effets bénéfiques

Mécanisme de transposition, interaction avec des protéines de l’hôte, évolution,régulation de la transposition par l’hôte

Sleeping Beauty (SB)Frog Prince (FP), PiggyBac (PB),

Pourquoi étudier les ETSs?

-« domestication moléculaire »=Création de nouveaux gènes

Gène d’intéret Transposase

ITR ITRPlasmide

II. Transposons domestiqués

« Domestication moléculaire »

Domestication moléculaire (= gène domestiqué=gène co-opté=néogène)

processus évolutive qui conduit un ET à devenir un composant fonctionnel, stable du génome associé à une fonction biologique (Miller et al., 1992)

Transposase gene

XX millions d’années

Gène hôte

Critères

- phylogénétiquement lié à la transposase- existe en copie unique- conservé au cours de l’évolution- absence ITRs et TSDs- assume un rôle biologique important

Chez l’homme, 47 gènes dérivés d’ETs (+ de 38 copies différentes)

Volff, 2006

Exemples transposons à ADN domestiqués

Diversité structurale

Motif Zn finger - THAP (P) - BED domain (hAT)- WRKY/GCM1 (mutator)

SETMAR DNA repairDBD

Diversité structurale

Transposase ancestrale

Domestication du gène complet transposase

RAG1->Recombinaison V(D)J

Protéine chimérique: fusion entre gène complet transposase et domaine non apparenté

Catalytic domain

Protéine chimérique: fusion entre DBD transposase et domaine non apparenté

Motif HTH- Paired domain (Tc1)- Pipsqueak domain (Pogo)- Myb/SANT/trihelix domain (PIF/Harbinger)

DBD

Diversité évolutive

Diversité dans les scénarios évolutifs

Transposase Pogo 1

CENP-B

Mammifères Levure

Domestication

1. Domestication récurrente de l’élément P - P Obscura chez la Drosophile

G-type ou A-type (D. guanche, D. madeirensis, D. subobscura) - P Montium chez la Drosophile

P-tsa, P-boc (D. tsacasi, D. bocqueti)-P neogenes chez Mammals/amniotes

THAP9/Phsa

2. Domestication convergente de la transposase Pogo

Abp1Cbh1

Cbh2

Transposase Pogo 2

Ségrégation chromosomesFormation hétérochromatine centromérique Casola et al., 2008

Diversité dans les scénarios évolutifs

3. Co-domestication PIF/Harbinger

Transposase Myb-like gene

Harbi1 Naif1

MADF-like gene

Transposon Harbinger

- Vertébrés

Domestication

Transposon PIF

Domestication

- Drosophile

DPLG7 DPM7

ORF1 ORF2

ORF1 ORF2

Transposase

Casola et al., 2007

Sinzelle et al., 2008

Diversité fonctionnelle

Diversité fonctionnelle

1. Régulateurs transcriptionels

2. régulation de la structure de la chromatine

- THAP7 (vertébrés) régulateur transcriptionel via modification de la structure de la chromatine

- ZBED1 (vertébrés) activateur transcriptionel de gènes ribosomaux

- Aft1 (levures) facteur de transcription impliqué dans l’homéostasie

-DREF (Drosophile) facteur de transcription (réplication de l’ADN, différentiation)

- CENP-b (mammifères) ségrégation des chromosomes

- BEAF-32 (Drosophile) remodelage de la chromatine, régulation de gènes

- HIM-17(C. elegans) ségrégation des chromosomes

Diversité fonctionnelle

3. Fonctions apoptotiques

- THAP0 (vertébrés) médiateur de l’apoptose induite par le stress

- THAP1 (vertébrés) facteur pro-apoptotique nucléaire

- E93 (drosophile) activateur de la mort cellulaire autophagique

4. Contrôle du cycle cellulaire

- LIN-36/LIN15B (C. elegans) inhibiteur de la transition G1/S

- THAP1 (vertébrés) régulateur de la prolifération des cellules endothéliales

5. Défense contre l’invasion d’ETs-Abp1, Cbh1 et Cbh2 (levure) contrôle de la mobilité de rétrotransposons

- SETMAR (primates) suspecté de réguler l’expression de la transposase Hsmar1

- PGBD3 (mammifères) suspecté de réprimer la transposition d’éléments piggyBac

Protéine domestiquée SETMAR

Création de la protéine chimérique SETMAR

SET domain : conservés chez les espèces non-anthropoïdes (* codon-stop)= 2 exons/1 intron

1: insertion d’une copie Hsmar1 dans la lignée primate après la séparation Tarsier/ Anthropoids 2: insertion séquence AluSX dans les ITRs Hsmar1

3: délétion qui élimine le codon-stop

4: conversion ADN non-codant en séquence Exonique (vert); création d’un 2nd intron (bleu)

- Protéine chimérique: fusion entre domaine SET (activité histone méthyl transférase) et d’un gène complet transposase Hsmar1 (MAR)

- Emergence de SETMAR il y a ≈ 50 millions d’années

Cordaux et al., 2006SET MAR

SETMAR

Domaine SET activité histone méthyl transférase

Domaine transposase préservation d’activités de la transposase ancestrale - fixation à l’ADN des ITRs de manière spécifique,

- clivage de l’ADN en 5’ mais incapacité à cliver en 3’ les extrémités du transposon

- formation complexe synaptique - intégration d’un transposon préclivé en 3’ au sein

d’un TA

Fonctions biochimiques

Rôles biologiques

- Rôles dans les mécanismes de réparation de l’ADN?- Régulation de l’expression des gènes par des modifications épigénétiques?

Chez l’homme, 7000 sites de fixation potentiels dispersés dans le génôme

Régulation expression des gènes contrôlant un vaste réseau

HARBI1 et NAIF1

Transposon Harbinger3_DR

- Superfamille PIF/Harbinger- isolé du génome de zebrafish

(Kapitonov and Jurka, 2004)

N C

ORF1 ORF2

Harbinger3_DR (5 copies)

3599 bp

12 bp

343-aa DDE Transposase (Tnp) 221-aa protein (Myb-like)

ITR

W W

Rôle (s) de la transposase et de la protéine Myb-like dans le mécanisme de transposition??

F

N C

HARBI1

Transposon Harbinger3_DR et protéines domestiquées

- transposase domestiquée- conservée chez les vertébrés- contient une triade catalytique DDE

- Rôle ligase/ endonucléase

Tnp Myb-like

Fonction cellulaires??

(Kapitonov and Jurka, 2004)

D D E

- proteine nucléaire - conservée chez les vertébrés - Induit l’apoptose quand surexpression

NAIF1N C

rôle(s) physiologiques ?

Domaine trihelix

(Lv et al.,2006)

D D E

(Sinzelle et al., 2008)

Co-domestication des deux protéines d’un même transposon

Human NAIF1Human HARBI1

Harbinger3_DR Tnp Harbinger3_DR Myb-like

Interaction physique

Interaction Transposase/protéine Myb-like

Interaction HARBI1/NAIF1 Localisation subcellulaire

Transposase et HARBI1 cytoplasmique

Protéine Myb-like et NAIF1 nucléaire

Protéine Myb-like permet la relocalisation nucléaire de la transposase

protéine NAIF1 permet la relocalisation nucléaire de HARBI1

Activité de fixation à l’ADN

NAIF1 et protéine Myb-like sont des protéines de fixation à l’ADN

Homologie fonctionnelle

Etude du mécanisme de transposition fonctions biologiques des protéines domestiquées

Références

- Wicker, T., Sabot, F., Hua-Van, A., Bennetzen, J. L., Capy, P., Chalhoub, B., Flavell, A., Leroy, P., Morgante, M., Panaud, O.,Paux, E., SanMiguel, P. and Schulman, A. H. (2007). A unified classification system for eukaryotic transposable elements.Nat Rev Genet. 8, 973-982.

- Craig, N. L., Craigie, R., Gellert, M. and Lambowitz, A. M. (2002) Mobile DNA II. ASM Press, Washington, D.C.

Revues : - Domestication moléculaire

SETMAR

HARBI1 et NAIF1

Revues : ETs

- Volff, J. N. (2006) Turning junk into gold: domestication of transposable elements and the creation of new genes in eukaryotes. Bioessays 28, 913-922.

-Feschotte, C. and Pritham, E. J. (2007) DNA transposons and the evolution of eukaryotic genomes. Annu Rev Genet. 41, 331-368.

-Cordaux, R., Udit, S., Batzer, M. A. and Feschotte, C. (2006) Birth of a chimeric primate gene by capture of the transposase gene from a mobile element. Proc Natl Acad Sci U S A. 103, 8101-8106.

-Miskey, C., Papp, B., Mátés, L., Sinzelle, L., Keller, H., Izsvák, Z.and Ivics, Z. (2007) The ancient mariner sails again: transposition of the human Hsmar1 element by a reconstructed transposase and activities of the SETMAR protein on transposon ends. Mol Cell Biol. 27, 4589-4600

-Sinzelle, L., Kapitonov, V. V., Grzela, D. P., Jursch, T., Jurka, J., Izsvák, Z. and Ivics, Z. (2008) Transposition of a reconstructed Harbinger element in human cells and functional homology with two transposon-derived cellular genes. Proc Natl Acad Sci U S A. 105, 4715-4720.