transposons à adn et gènes domestiqués ludivine sinzelle post-doc, laboratoire epigenomics...
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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.