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Transposons à ADN et gènes domestiqués Ludivine SINZELLE Post-doc, Laboratoire Epigenomics Génopole, Evry.

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1 Transposons à ADN et gènes domestiqués Ludivine SINZELLE Post-doc, Laboratoire Epigenomics Génopole, Evry

2 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 lInsecte (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

3 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

4 Eléments transposables (ETs) Définition: Séquences dADN répétées qui ont la capacité de se déplacer (=transposer) dun locus à un autre au sein dun génome -« Parasite moléculaire ou génétique » -« ADN égoïste » Chez lhôte Pas de rôle biologique

5 Classification des ETs - 2 classes selon le mécanisme de transposition (Finnegan, 1989) ARN ARN pol RT intégrase transposase ADN génomique Classe I ou rétrotransposon Classe II ou transposon à ADN ADN Transposition copier-coller Transposition couper-coller ET

6 Classification des transposons à ADN Sous-classe 1 classe II (transposons à ADN) (Wicker et al., 2007) Sous-classe 2 Ordre ITROrdre CryptonOrdre HelitronOrdre Maverick Superfamilles Familles CryptonHélitronMaverick sous-familles lignées

7 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 NLSDomaine catalytique -DDE/D triade catalytique 5UTR3UTR intron Transposase -Sous-classe I, ordre ITR

8 Mécanisme de transposition de type « cut-and-paste » ADN donneur TA AT TA AT ADN cible Duplication TSD TA AT TA AT TA AT TA AT Intégration TA AT TAXX AT AT XXTA TAXXAT ATXXTA Excision Cicatrice dexcision TSD Signature moléculaire transposition Transposon Tc1-mariner Réparation de lADN par lhôte

9 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 Présence dune 2 ORFs pour 2 superfamilles: CACTA et PIF/Harbinger

10 Eléments autonomes et non-autonomes Eléments autonomesEléments non-autonomes Mutations Délétions - Eléments actifs - Eléments défectifs - MITEs =Miniature Inverted-repeat Transposable Elements Cis Trans

11 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

12 Feschotte and Pritham, 2007 ETs représentent 45% du genome humain !!! Hua-van et al, 2005 Abondance Répartition Pourquoi étudier les TEs?

13 Impact sur lévolution et la fonction des gènes et génomes Mise au point de vecteurs pour la thérapie-génie ou pour la mutagenèse insertionnelle - expression des gènes - mutations : duplications, insertions, deletions Maladie génétique Biologie propre des transposons Conséquences néfastesEffets bénéfiques Mécanisme de transposition, interaction avec des protéines de lhôte, évolution, régulation de la transposition par lhôte Sleeping Beauty (SB) Frog Prince (FP), PiggyBac (PB), Pourquoi étudier les ETSs? -« domestication moléculaire »= Création de nouveaux gènes Gène dintéret Transposase ITR Plasmide

14 II. Transposons domestiqués

15 « 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 dannées Gène hôte Critères - phylogénétiquement lié à la transposase - existe en copie unique - conservé au cours de lévolution - absence ITRs et TSDs - assume un rôle biologique important Chez lhomme, 47 gènes dérivés dETs (+ de 38 copies différentes)

16 Volff, 2006 Exemples transposons à ADN domestiqués

17 Diversité structurale

18 Motif Zn finger - THAP ( P ) - BED domain ( hAT ) - WRKY/GCM1 ( mutator ) SETMAR DNA repair DBD 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

19 Diversité évolutive

20 Diversité dans les scénarios évolutifs Transposase Pogo 1 CENP-B MammifèresLevure Domestication 1. Domestication récurrente de lélément 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 Abp1 Cbh1 Cbh2 Transposase Pogo 2 Ségrégation chromosomes Formation hétérochromatine centromérique Casola et al., 2008

21 Diversité dans les scénarios évolutifs 3. Co-domestication PIF/Harbinger TransposaseMyb-like gene Harbi1Naif1 MADF-like gene Transposon Harbinger - Vertébrés Domestication Transposon PIF Domestication - Drosophile DPLG7DPM7 ORF1 ORF2 ORF1 ORF2 Transposase Casola et al., 2007 Sinzelle et al., 2008

22 Diversité fonctionnelle

23 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 lhoméostasie -DREF (Drosophile) facteur de transcription (réplication de lADN, différentiation) - CENP-b (mammifères) ségrégation des chromosomes - BEAF-32 (Drosophile) remodelage de la chromatine, régulation de gènes - HIM-17(C. elegans) ségrégation des chromosomes

24 Diversité fonctionnelle 3. Fonctions apoptotiques - THAP0 (vertébrés) médiateur de lapoptose 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 linvasion dETs -Abp1, Cbh1 et Cbh2 (levure) contrôle de la mobilité de rétrotransposons - SETMAR (primates) suspecté de réguler lexpression de la transposase Hsmar1 - PGBD3 (mammifères) suspecté de réprimer la transposition déléments piggyBac

25 Protéine domestiquée SETMAR

26 Création de la protéine chimérique SETMAR SET domain : conservés chez les espèces non-anthropoïdes (* codon-stop)= 2 exons/1 intron 1: insertion dune 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 dun 2nd intron (bleu) - Protéine chimérique: fusion entre domaine SET (activité histone méthyl transférase) et dun gène complet transposase Hsmar1 (MAR) - Emergence de SETMAR il y a 50 millions dannées Cordaux et al., 2006 SET MAR

27 Domaine SET activité histone méthyl transférase Domaine transposase préservation dactivités de la transposase ancestrale - fixation à lADN des ITRs de manière spécifique, - clivage de lADN en 5 mais incapacité à cliver en 3 les extrémités du transposon - formation complexe synaptique - intégration dun transposon préclivé en 3 au sein dun TA Fonctions biochimiques Rôles biologiques - Rôles dans les mécanismes de réparation de lADN? - Régulation de lexpression des gènes par des modifications épigénétiques? Chez lhomme, 7000 sites de fixation potentiels dispersés dans le génôme Régulation expression des gènes contrôlant un vaste réseau

28 HARBI1 et NAIF1

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

30 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 lapoptose quand surexpression NAIF1 N C rôle(s) physiologiques ? Domaine trihelix (Lv et al.,2006) D D E (Sinzelle et al., 2008) Co-domestication des deux protéines dun même transposon

31 Human NAIF1 Human HARBI1 Harbinger3_DR Tnp Harbinger3_DR Myb-like Interaction physique Interaction Transposase/protéine Myb-like Interaction HARBI1/NAIF1 Ü 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 lADN NAIF1 et protéine Myb-like sont des protéines de fixation à lADN Homologie fonctionnelle Etude du mécanisme de transposition fonctions biologiques des protéines domestiquées

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


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