rôle des éléments transposables UMR 7138 Systématique, Adaptation, Evolution Equipe : Génétique et évolution Fluidité des génomes, rôle des éléments transposables Bonnivard, Eric et Higuet, Dominique

Importance des éléments transposables dans les génomes Espèces taille du génome en Mb E.T. en % du génome Saccharomyces cerevisiae Dictyostelium discoideum Caenorhabditis elegans Arabidopsis thaliana Drosophila melanogaster Fugu rubripes Oriza sativa Zea mays Homo sapiens Mus musculus Hordeum vulgare Vicia faba 12 34 97 125 180 400 430 2 500 3 300 3 250 5 000 13 000 3% 10% 6% 14% 15-20% 2% 60% 44% 40% 55% >75% d’après Kidwell 2002

Diversité des éléments transposables : Rétrotransposons à LTR mode de transposition Transposition Intermédiaire ARN Intermédiaire ADN Excision d’un site donneur intégration à un site receveur Transcription inverse au site d’insertion  ADNg Transcription inverse  ADNc Transposons LINE - SINE Intégration dans le génome par une Tyrosine Recombinase Intégration dans le génome par une intégrase Rétrotransposons à LTR Dirs

Diversité des éléments transposables : structures Transposons Taille: 300 à 5000 pb ITR LINEs (Long Interspersed Nuclear Elements) Taille: 1 000 à 7 000pb EN RT ORF (TAA)n SINEs (Short Interspersed Nuclear Elements) Taille : 100 à 500pb tRNA-related region tRNA-unrelated region AT-rich region A B A et B séquences consensus du promoteur RNA polymerase III (TAA)n

Diversité des éléments transposables : structures Rétrotransposons à LTR PR Int RT RH Pol Gag LTR Ty3/Gyspy/Pao PR Int RT RH Pol Gag LTR Ty1/Copia Dirs Dirs/Pat RT RH Pol Gag Dirs1 MT YR Kangaroo

Diversité des éléments transposables : séquences Ty3/gypsy Pao/Bel

Répartition des différents types d’éléments transposables E.T. Levure Nématode Arabette Drosophile Homme LTR Nb copies Nb familles % génome LINE-SINE Transposons 331 5 3.1 24 1 0.1 611 12 0.4 3083 5.3 1594 70 6.4 515 10 0.7 2203 80 6.8 317 22 87 82 4 443 103 104 8.3 2426 103 6 33.6 294 103 63 2.8

Invasion du génome d’une espèce suite à un transfert horizontal Histoire d’ invasions Particularité de D. melanogaster: Invasion du génome par 3 éléments transposables différents 1930 LINE 1930-40 Hobo transposon 1950 P transposon Invasion du génome d’une espèce suite à un transfert horizontal A) Une invasion bien documentée 1) Seulement des souches vides avant 1950 3) Dernière souche vide observée en central Eurasie au milieu des années 1970s 2) Première souche avec des éléments P en Amérique centrale au début des années 1950s B) L’élément P est absent des espèces proches du sous-groupe melanogaster C) L’élément P de D. melanogaster est identique à 99% de celui de l’espèce D. willistoni (Amérique central)

Cycle de vie d’un élément transposable Acquisition par transfert horizontal Perte par dérive ou Amplification du nombre de copies (invasion du génome puis de l’espèce) Acquisition des systèmes de régulation Peu ou pas de transposition, stabilisation du nombre de copies Extinction: Immobilisation par mutation. Perte par dérive, délétion et accumulation de mutations Conservation: du fait de leurs impacts sur les génomes Re-mobilisation suite à des stress Transfert horizontal

Impact des éléments transposables sur le génome En tant que séquences répétées : ~ remaniement chromosomique ~ exon « shuffling » - Du fait de leur insertion dans des gènes: ~ modification des transcrits ~ exon « shuffling » - régulation de l’expression des gènes - Du fait de leur recrutement par le génome

Recombinaison ectopique et remaniement chromosomique Délétion chromosomique Inversion chromosomique

Recombinaison ectopique et échange d’exons ectopique entraînant un échange des premiers exons de chacun des gènes responsible for dominant phenotype antennapedia DOC transcription La Drosophile possède des pattes à la place des antennes D'après Schneuwly et al., 1987, EMBO J. vol 6.

Impact des éléments transposables sur le génome En tant que séquences répétées : ~ remaniement chromosomique ~ exon « shuffling » - Du fait de leur insertion dans des gènes: ~ modification des transcrits ~ exon « shuffling » - Régulation de l’expression des gènes - Du fait de leur recrutement par le génome

Eléments transposables (ETs) et évolution des gènes Chez l’homme: 27% des gènes présentent dans leur 5’ ou 3’ UTR un ET 4% des gènes présentent un ET dans leur séquence codante Chez la souris: 18% des gènes présentent dans leur 5’ ou 3’ UTR un ET D'après Van de Lagemaat et al., 2003, TRENDS in Genetics Vol. 19.

Création de nouveaux promoteurs

Formation de LTR solo LTR LTR gag pol U3 R U5 Initiation de la transcription Terminaison de la transcription

Création de nouveaux exons Un élément transposable peut créer un nouvel exon en s’insérant dans un gène. Cela peut arriver quand il s’insère dans un exon existant, mais il est alors souvent contre sélectionné. OU Cela peut arriver quand il s’insère dans un intron, il crée alors un gène codant alors une protéine avec un nouveau domaine. Il peut alors être sélectionné positivement ou négativement, ou encore fixé par dérive.

Excision par l’intermédiaire de la transposase Brassage d’exons Gène A exon 1 exon 2 exon 3 exon 4 E.T. E.T. seq. terminale répétée seq. terminale répétée Excision par l’intermédiaire de la transposase Gène B exon a exon b exon c exon 2 Gène B exon a exon b exon c exon 2

Impact des éléments transposables sur le génome En tant que séquences répétées : ~ remaniement chromosomique ~ exon « shuffling » - Du fait de leur insertion dans des gènes: ~ modification des transcrits ~ exon « shuffling » - régulation de l’expression des gènes - Du fait de leur recrutement par le génome

Télomèrase et Rétrotransposons Chez la Drosophile absence de télomérase pour maintenir l’intégrité des chromosomes après chaque réplication. Un élément transposable de type LINE assure cette fonction, après chaque réplication il transpose de façon spécifique à l’extrémité des chromosomes. Ici c’est bien la capacité à transposer qui a été retenue par la sélection naturelle

Locus Ig H lignée germinale La recombinaison V(D)J V segments D segments J segments Région constante Locus Ig H lignée germinale Locus Ig H cellule B L’excision des fragments V(D) et D(J) qui génére la variabilité des immunoglobulines, a pour origine un élément transposable de type transposon (D’après Sadofsky 2001 Nuc. Ac. Res. 29(7), 1399-1409)

Comment considérés les éléments transposables d’un point de vue évolutif ? Mutations dues aux insertions (effet délétères corrélés au nombre de copies) Forte capacité d’invasion ADN parasite Au début de leur cycle de vie MAIS Ils participent à leur propre régulation Facteurs majeurs de la plasticité et l’évolution des génomes Recrutement par le génome “mutualiste” A la fin de leur cycle