Transcript CoursSinzelle

Transposons à ADN et
gènes domestiqués
Ludivine SINZELLE
Post-doc, Laboratoire Epigenomics
Génopole, Evry
Parcours
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)
mécanisme de transposition des transposons à ADN PIF/Harbinger
Etude de la fonction des protéines domestiquées HARBI1 et NAIF1 chez les vertébrés
Post-Doctorat 2 :Université Evry, Epigenomics, N. Pollet
Transgenèse par production de spermatozoïdes génétiquement modifiés chez le xénope
Etude de la fonction des protéines domestiquées HARBI1 et NAIF1 chez le xénope
Plan
I. Transposons à ADN
- Classification des ETS
- Structure, mécanisme de transposition, classification propre
- Etude des transposons à ADN???
II. Gènes dérivés de transposons ou transposons domestiqués
- Définition et caractéristiques
- Diversité structurale
- Diversité évolutive
- Diversité fonctionnelle  exemples
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 »
Chez l’hôte
-« ADN égoïste »
Pas de rôle biologique
Classification des ETs
- 2 classes selon le mécanisme de transposition (Finnegan, 1989)
Classe I ou rétrotransposon
ARN
RT
Transposition copier-coller
ADN
intégrase
ARN pol
ADN génomique
ET
transposase
ADN
transposase
Classe II ou transposon à ADN
Transposition couper-coller
Classification des transposons à ADN
(Wicker et al., 2007)
classe II (transposons à ADN)
Sous-classe 1
Ordre ITR
Superfamilles
Familles
sous-familles
lignées
Ordre Crypton
Crypton
Sous-classe 2
Ordre Helitron Ordre Maverick
Hélitron
Maverick
Structure générale des transposons à ADN
-Sous-classe I, ordre ITR
ITR=Inverted Terminal Repeat
2500 bp
Transposase gene
50 bp
intron
5’UTR
Transposase
-Cterm
Nterm-
DBD=DNA binding domain
- ZnF
- HTH
Fixation spécifique des ITRS
3’UTR
NLS
Domaine catalytique
-DDE/D triade catalytique
Mécanisme de transposition de type « cut-and-paste »
ADN donneur
TA
AT
TA
AT
TSD
TSD
TA
AT
Transposon Tc1-mariner
TA
AT
Intégration
Excision
TAXX
AT
AT
XXTA
ADN cible
TAXXAT
ATXXTA
TA
AT
TA
AT
TA
AT
Duplication TSD
Signature moléculaire
transposition
Réparation de l’ADN
par l’hôte
Cicatrice d’excision
9 Superfamilles de transposons à ADN eucaryotes
-Similitude de séquence des transposases
-Caractéristiques structurales Longueur et séquence ITRs/TSDs
- Nature des domaines fonctionnels
 DBD (motif HTH ou ZnF)
 Domaine catalytique
Superfam ilyLength (kb)TIRs (bp)
Tc1-mariner
hAT
Mutator
Merlin
Transib
P
piggyBac
PIF/Harbinger
CACTA
1.2-5.0
2.5-5.0
1.3-7.4
1.4-3.5
3--4
3--11
2.3-6.3
2.3-5.5
4.5-15
Subclass 1/ Order TIR
TSDs(bp) encoded proteins
DBD
17-1100
2 (TA)
Tnp
HTH
5--27
8
Tnp
BED ZnF
0-sev eral kb
9--11
Tnp
WRKY /GCM1 ZnF
21-462
8--9
Tnp
nd
9--60
5
Tnp
nd
13-150
8
Tnp
THAP ZnF
12--19
4 (TTAA)
Tnp
nd
15-270
3 (CWG or TWA) Tnp + My b-like protein
My b/SANT
oct-54
2--3
Tnp A + TnpD
nd
Catalytic core
(D, D, E/D) Tnp
(D, D, E) Tnp
(D, D, E) Tnp
(D, D, E) Tnp
(D, D, E) Tnp
nd
nd
(D, D, E) Tnp
nd
Présence d’une 2 ORFs pour 2 superfamilles: CACTA et PIF/Harbinger
Eléments autonomes et non-autonomes
Eléments autonomes
Eléments non-autonomes
- Eléments actifs
Cis
Trans
- Eléments défectifs
Mutations
Délétions
- MITEs
=Miniature Inverted-repeat
Transposable Elements
transposons à ADN actifs
Naturels
- Elément P (Drosophile)
- Tc1 (C. elegans)
- Impala, Fot1 (F. oxysoparum)
Synthétiques
- Sleeping beauty (poisson salmonidé)
- PiggyBac (insecte)
- Himar1 (H. irritans)
- Frog Prince (R. pipiens)
- Harbinger3_DR (D. rerio)
Vecteurs de tranfert de gènes
+ versions hyperactives
Pourquoi étudier les TEs?
Abondance
ETs représentent 45% du genome humain !!!
Hua-van et al, 2005
Répartition
Feschotte and Pritham, 2007
Pourquoi étudier les ETSs?
Impact sur l’évolution et la fonction des gènes et génomes
Conséquences néfastes
Effets bénéfiques
- expression des gènes
- mutations : duplications, insertions,
deletions Maladie génétique
-« domestication moléculaire »=
Création de nouveaux gènes
Biologie propre des transposons
Mécanisme de transposition, interaction avec des protéines de l’hôte, évolution,
régulation de la transposition par l’hôte
Mise au point de vecteurs pour la thérapie-génie ou pour la mutagenèse
insertionnelle
Transposase
Gène d’intéret
ITR
Plasmide
ITR
Sleeping Beauty (SB)
Frog Prince (FP),
PiggyBac (PB),
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)
Critères
Transposase gene
XX millions d’années
Gène hôte
-
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)
Exemples transposons à ADN domestiqués
Volff, 2006
Diversité structurale
Diversité structurale
Domestication du gène complet transposase
RAG1->Recombinaison V(D)J
Transposase ancestrale
DBD Catalytic domain
Protéine chimérique: fusion entre gène complet
transposase et domaine non apparenté
 SETMAR DNA repair
Protéine chimérique: fusion entre DBD
transposase et domaine non apparenté
DBD
Motif Zn finger
- THAP (P)
- BED domain (hAT)
- WRKY/GCM1 (mutator)
Motif HTH
- Paired domain (Tc1)
- Pipsqueak domain (Pogo)
- Myb/SANT/trihelix domain (PIF/Harbinger)
Diversité évolutive
Diversité dans les scénarios évolutifs
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
Mammifères
Levure
Transposase Pogo 1
Transposase Pogo 2
Domestication
Cbh2
Abp1
Cbh1
CENP-B
Ségrégation chromosomes
Formation hétérochromatine centromérique
Casola et al., 2008
Diversité dans les scénarios évolutifs
3. Co-domestication PIF/Harbinger
- Vertébrés
Transposon Harbinger
Transposase Myb-like gene
ORF1
ORF2
Domestication
Harbi1
Naif1
Sinzelle et al., 2008
- Drosophile
Transposon PIF
Transposase MADF-like gene
ORF1
ORF2
Domestication
DPLG7
DPM7
Casola et al., 2007
Diversité fonctionnelle
Diversité fonctionnelle
1. Régulateurs transcriptionels
- 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)
2. régulation de la structure de la chromatine
- 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
- 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., 2006
SET MAR
4: conversion ADN non-codant en séquence
Exonique (vert); création d’un 2nd intron (bleu)
3: délétion qui élimine le codon-stop
1: insertion d’une copie Hsmar1 dans la lignée
primate après la séparation Tarsier/ Anthropoids
2: insertion séquence AluSX dans les ITRs
Hsmar1
SET domain : conservés chez les espèces
non-anthropoïdes (* codon-stop)= 2 exons/1 intron
SETMAR
Fonctions biochimiques
 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
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)
Harbinger3_DR (5 copies)
3599 bp
ORF1
ORF2
12 bp
ITR
343-aa DDE Transposase (Tnp)
221-aa protein (Myb-like)
N
F
W
W
Rôle (s) de la transposase et de la protéine Myb-like dans le
mécanisme de transposition??
C
Transposon Harbinger3_DR et protéines domestiquées
Tnp
D D
Myb-like
E
(Kapitonov and Jurka, 2004)
(Sinzelle et al., 2008)
HARBI1
N
D D
NAIF1
E
C
N
C
- transposase domestiquée
- conservée chez les vertébrés
- contient une triade catalytique DDE
- Rôle ligase/ endonucléase
Domaine trihelix
Fonction cellulaires??
- proteine nucléaire
- conservée chez les vertébrés
(Lv et al.,2006)
- Induit l’apoptose quand surexpression
rôle(s) physiologiques ?
Co-domestication des deux protéines d’un même transposon
Homologie fonctionnelle
Harbinger3_DR Tnp
Harbinger3_DR Myb-like
Human HARBI1
Human NAIF1
 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
Etude du mécanisme de transposition  fonctions biologiques des
protéines domestiquées
Références
Revues : ETs
- 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
- 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.
SETMAR
-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
HARBI1 et NAIF1
-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.