Transcript Ségrégation des chromosomes en méiose: Un ménage à quatre

Ségrégation des chromosomes en méiose:
Un ménage à quatre
1. La méiose : les particularités de la ségrégation réductionnelle,
Le rôle clef des crossing-over
2. Conséquences génétiques
3. Différents niveaux de régulation des crossing over
4. Mouvements et appariements des chromosomes: analyses cytologiques
5. Mécanisme moléculaire de la formation des crossing-over
6. Le rôle clef de la protéine Spo11
7. Divisions méiotiques lors de la spermatogenèse.
B. de Massy, sept. 05
[email protected]
http://www.igh.cnrs.fr/equip/demassy/
Mitosis versus Meiosis
Mitosis
Meiosis
Meiotic divisions in rye
Chromosomes at diplotene/diakinesis
M. musculus
C. parallelus
Chiasmata and Cohesin Physically Link Maternal and Paternal Chromosomes in Meiosis
(A) Image of a bivalent at the diplotene stage from grasshopper spermatocytes stained with Feulgen. Two
chiasmata are visible as connections between sister chromatids of the maternal and paternal chromosomes. One
chiasma is highlighted by a dashed circle. A schematic representation is shown in (B).
(B) During premeiotic DNA replication, cohesion between sister chromatids is established by a meiosis-specific
variant of the cohesin complex containing Rec8. Following replication, meiotic recombination between homologous
maternal (gray) and paternal (light blue) chromosomes generates reciprocal exchanges/crossovers. These
exchanges lead to the formation of chiasmata, which connect the two chromosomes of a bivalent and can be
visualized by microscopy (A). Cohesion between sister chromatids distal to the chiasma serves as the glue that
holds maternal and paternal chromosomes together.
The first meiotic division
Paternal and maternal
chromosomes
S phase
Cohesins
Prophase I
Diplotene
Chiasma
Diplotene bivalent with two
chiasmata (grasshoper)
Metaphase I
● At least one chiasma
● Sister cohesion
● Monopolar sister kinetochores
Implications
1. Au moins un crossing-over par bivalent
2. Distribution stochastique ?
3. Recombinaison inhibée entre chromatides-sœurs, stimulée
entre homologues
4. Contrôle de la cohésion entre chromatides sœurs par
rapport au chiasma
5. Contrôle du cycle cellulaire
Ségrégation des chromosomes en méiose:
Un ménage à quatre
1. La méiose : les particularités de la ségrégation réductionnelle,
Le rôle clef des crossing-over
2. Conséquences génétiques
3. Différents niveaux de régulation des crossing over
4. Mouvements et appariements des chromosomes: analyses cytologiques
5. Mécanisme moléculaire de la formation des crossing-over
6. Le rôle clef de la protéine Spo11
7. Divisions méiotiques lors de la spermatogenèse.
Crossing-over
Echange réciproque
Génotype parental
A
a
C
c
Génotype des gamètes
A
C
A
c
a
C
c
a
Crossing-over entre A et C
% de gamètes recombinantes = cM (centiMorgan)
Conversion génique
Echange non-réciproque
A
a
B
C
b
Conversion génique sans
crossing-over associé
A
B
C
A
B
C
a
B
c
a
b
c
A
B
C
A
B
c
a
B
C
a
b
c
c
Conversion génique avec
crossing-over associé
Rôle des événements sans crossing-over: recherche d’homologie et appariement
des chromosomes homologues?
Ségrégation des chromosomes en méiose:
Un ménage à quatre
1. La méiose : les particularités de la ségrégation réductionnelle,
Le rôle clef des crossing-over
2. Conséquences génétiques
3. Différents niveaux de régulation des crossing over
4. Mouvements et appariements des chromosomes: analyses cytologiques
5. Mécanisme moléculaire de la formation des crossing-over
6. Le rôle clef de la protéine Spo11
7. Divisions méiotiques lors de la spermatogenèse.
1.
2.
The non-random distribution of crossover events in meiosis:
Crossover assurance: the obligatory crossover
Crossover interference
Crossing-over frequencies per chromosome
Genetic distance (cM)
140
120
100
80
MGI Map (cM)
Ratio 100*cM/Mb
60
40
20
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213141516171819
Chromosome number
1
Frequency
1.
2.
The non-random distribution of crossover events in meiosis:
Crossover assurance: the obligatory crossover
Crossover interference
0,1
observed
predicted
0,01
0,001
0
1
2
Number of events
(Mus musculus)
3
Variations of recombination frequencies along human chr. 3
(Kong et al., 2002)
(Kong et al., 2002)
Frequency/distribution of meiotic recombination
in mice
Mouse spermatocytes
Cytological data
1 or 2 crossover per bivalent
(~ 22-25 chiasmata; ~ 22.7 Mlh1 foci; 19 autosomes)
~ 250 Rad51 foci
Non crossovers?
Genetic data
Total length: 1390 to 1507cM
55 to 110cM per chromosome
Average: ~ 0.5 cM/Mbp
Rad51 foci
(green)
zygotene
Crossover distribution
Non random
Strong crossover positive interference
Sex differences in crossover distribution
Some localized crossover hot-spots
Lawrie et al., 1995
Baker et al., 1996
Plug et al., 1996
Barlow et al., 1997
Anderson et al., 1999
Mlh1 foci
(red)
pachytene
Ségrégation des chromosomes en méiose:
Un ménage à quatre
1. La méiose : les particularités de la ségrégation réductionnelle,
Le rôle clef des crossing-over
2. Conséquences génétiques
3. Différents niveaux de régulation des crossing over
4. Mouvements et appariements des chromosomes: analyses cytologiques
5. Mécanisme moléculaire de la formation des crossing-over
6. Le rôle clef de la protéine Spo11
7. Divisions méiotiques lors de la spermatogenèse.
Prophase de la première division de méiose
Leptotène
Zygotène
Pachytène
Diplotène
Noyau de
spermatocyte
de souris
Sycp3
Sycp1
chromatine
Complexe
synaptonémal
Elément latéral
Elément central
Eléments axiaux
Elément latéral
Chiasmata
Zygotène
Pachytène
Chromatides-sœurs
« maternelles »
Hop1, Red1
Hop2, Mek1
SCP2, SCP3
Elément axial
Zip1, SCP1
Topo II
Rec8, Spo76
Chromatides-sœurs
« paternelles »
Elément central
Complexe synaptonémaux chez Hyalophora columbia (a)
et Saccharomyces cerevisiae (b)
Mouse spermatocytes
SCP3 staining
SCP2 staining
Detection of phosphorylated H2AX
Spo11+/-
g-H2AX
Scp3
Spo11-/-
Dmc1 and Rad51 localization at zygotene
MLH1 localization at pachytene
Distribution of cross-over based on MLH1 localization
(pachytene)
Anderson et al. , 1999
Early recombination nodules
Late Recombination nodules
Immunolocalisation de protéines en prophase de méiose I sur des spermatocytes de souris
Leptotene
Rad51
Rad51 + RPA
Zygotene
RPA
RPA + Mlh1
early
Pachytene
Mlh1
mid
Pachytene
Plug et al., 1996, 1997
Baker et al., 1996
Ségrégation des chromosomes en méiose:
Un ménage à quatre
1. La méiose : les particularités de la ségrégation réductionnelle,
Le rôle clef des crossing-over
2. Conséquences génétiques
3. Différents niveaux de régulation des crossing over
4. Mouvements et appariements des chromosomes: analyses cytologiques
5. Mécanisme moléculaire de la formation des crossing-over
6. Le rôle clef de la protéine Spo11
7. Divisions méiotiques lors de la spermatogenèse.
Prophase de la première division de méiose
Leptotène
Zygotène
Pachytène
Diplotène
Complexe
synaptonémal
Chiasmata
Noyau de
spermatocyte
de souris
Sycp3
Sycp1
chromatine
Elément latéral
Elément central
S. cerevisiae
Eléments axiaux
Elément latéral
Spo11
Cohésines
meiotic-specific,
Spo11 entry?
Modification de la
chromatine,
Acétylation?
Rad51,Dmc1
Cassures
double- brins,
gH2AX
Spécificité?
Echange
de brins
Mlh1
Crossing over
Conversion génique
Box 1
DSB formation
3’
5’
(a)
5’ to 3’ resection
3’
5’
heteroduplex
Strand-invasion, D-loop formation,
DNA synthesis (dotted line)
(b)
DSBR
SDSA
Strand-displacement
Second end capture, synthesis,
ligation
(c)
Holliday junction
resolution
(d)
Strand annealing,
synthesis, ligation
Crossover point
Mismatch repair
Mismatch repair
Gene conversion tract
Crossover point
Gene conversion tract
Gene conversion
with crossover
Gene conversion without
crossover
Ségrégation des chromosomes en méiose:
Un ménage à quatre
1. La méiose : les particularités de la ségrégation réductionnelle,
Le rôle clef des crossing-over
2. Conséquences génétiques
3. Différents niveaux de régulation des crossing over
4. Mouvements et appariements des chromosomes: analyses cytologiques
5. Mécanisme moléculaire de la formation des crossing-over
6. Le rôle clef de la protéine Spo11
7. Divisions méiotiques lors de la spermatogenèse.
Spo11, Mus musculus
spo11-KO homozygotes:
- mâle et femelle stériles,
- pas de foyer g-H2AX, pas de complexe synaptonémal, pas de
chiasma
- induction d’apoptose au cours de la spermatogenèse
Expression spécifique en
prophase de méiose
(spermatocytes et ovocytes)
+/+
Lu Ki Li Sp He Ov Te Br M
-/-
A
4.40
2.37
Sycp3
1.35
g-H2AX
B
A: Spo11 probe
B: gene S26 probe
Sycp3
Sycp1
Metzler-Guillemain et de Massy,
Chromosoma 2000
Baudat et al. Mol Cell 2000
Mahadevaiah et al. Nat Genet., 2001
Phénotypes des mutants Spo11
Organisme
Fertilité
Rec.
méiotique
Chiasmas
CDBs
Complexe
synaptonémal
Progression
en méiose
S. cerevisiae S. pombe C. cinereus A. thaliana C. elegans
Stérile
Fertilité
Stérile
Fertilité
Stérile
(< 0.1%)
réduite
(1.6%)
réduite
(<0.1%)
(10-20%)
(2-10%)
D. melanogaster M. musculus
Fertilité réduite
Stérile
-
-
n.t.
-
-
-
n.t.
n.t.
n.t.
n.t.
-
-
n.t.
-
-
-
n.t.
n.t.
n.t.
n.t.
n.t.
n. a.
-
-
+
+
-
Normale
Normale
Arrêt/
apoptose
Normale
Normale
Normale
Arrêt/
apoptose
n.t.: non testé
Structure de TopoVIA (M. jannashii)
M.musculus
D.melanoga
S.pombe
S.shibatae
C.elegans
S.cerevisi
:
:
:
:
:
:
DSVGLRMIPQCTTRKIRSDSPKS--VKKFALILKVLSMIYKLIQSDTYATKRDIYYT--DSQLFG-------------VISEYRRVSYNN-RGSR---------HSFCVLIYMLSRVHRLQVRGGSFTVRGLYYD--NPLLVR-------------GSLDSKANERQK-VKVFS-FPRN--ETTIAQLFRVLDCVHEAVISDTVITKRDIYYR--DVDLFK-------------IYDEKRKLLLLGEKKLRRNFLDLNEAKRFMQTVLMASIIYDALVSDEYPTIRDLYYRGKHSLLLKSIEGNKIVSEENTW
KSLTLRISTSKSHFCLRYTAKRK---GKLDRDLHCLHQVYDLLENDKRSTKRELYYE--HKAVYG-------------TSSPDIHTTLDFPLNGPHLCTHQFKLKRCAILLNLLKVVMEKLPLGKNTTVRDIFYS--NVELFQ--------------
:
:
:
:
:
:
107
88
105
129
126
142
:
:
:
:
:
:
173
154
166
196
189
220
:
:
:
:
:
:
248
230
238
270
264
297
Motif 1
M.musculus
D.melanoga
S.pombe
S.shibatae
C.elegans
S.cerevisi
:
:
:
:
:
:
-NQAAVDSAIDDISCMLKVP-RRSLHVLSTSKGLIAGNLRYMEEDGTRVQCTCSAT-ATAVPTNI----------QGMQ
-SQSRIAEARLDVCRMLRTS-PLSLGILAASKGLVAGDLRLLMTNGDVLDSSLYGG-PLTLPTDP----------EKID
-RQTVVDELLGDISNTIGCS-RSDLNVEASAKGLVFGSIHIALENGTVITATKP------LLISH----------HRIS
DEQKESDSVIVDIEVFTSLL-REEMLILSKEKGKVVGNLRIRSGN-DVIDLSKTGHGAYAIEPTP----------DLID
-NQKYLDSSIKSICELLNES-RANLNILSCGRGIIRGAITFLVENVGVIDARVQ----EVLITDA----------LLFS
-RQANVVQWLDVIRFNFKLSPRKSLNIIPAQKGLVYSPFPIDIYDNILTCENEPKMQKQTIFPGKPCLIPFFQDDAVIK
Motif 2
M.musculus
D.melanoga
S.pombe
S.shibatae
C.elegans
S.cerevisi
:
:
:
:
:
:
HLITDAKFLLIVEKDATFQRLLDDN-FCSRMSPCIMVTGKGVPDLNTRLLVKKLWDTFH---IPVFTLVDADPYGIEIM
RIETLAEFVLIVEKESVFESLLSRNVFGTFERRFILITGKGYPDCCTRRIVHRLTEENQ---LAAYILVDADPFGVEIM
SITSTAKWVLVIEKEAVFQTLTEEA----LAD-TIIVTAKGFPDLMTRKFLVKLAKALPD--AKFFGIFDWDPHGLCIY
FIDVDAEFVLVVEKDAVFQQLHRAGFWKQYKS--ILITSAGQPDRATRRFVRRLNEELK---LPVYILTDADPYGWYIF
NIISEADFILVVEKDTTFQKLMDENFQAMFPR-GILATSKGYPDIATRNVLKMLSEKRK---FPIYGLFDADPHGIEIY
LGTTSMCNIVIVEKEAVFTKLVNNY--HKLSTNTMLITGKGFPDFLTRLFLKKLEQYCSKLISDCSIFTDADPYGISIA
Motif 3
Motif 4
Motif 5
Références
Szostak, J.W., Orr-Weaver, T.L., Rothstein, R.J., and F.W. Stahl. (1983). The double-strand break-repair model for recombination. Cell.
33:25-35.
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Mol Biol Rev 63: 349+
Zickler D, Kleckner N (1998) The leptotene-zygotene transition of meiosis. Annual Review of Genetics 32: 619-697
Zickler D, Kleckner N (1999) Meiotic chromosomes: integrating structure and function. Annual Review of Genetics 33: 603-754
Cohen PE, Pollard JW (2001) Regulation of meiotic recombination and prophase I progression in mammals. Bioessays 23 : 996-1009
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Baudat F. et de Massy B. (2004) Spo11: an activity that promotes DNA breaks required for meiosis Médecine et Sciences 20: 213-218.