Transposons à ADN et gènes domestiqués

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

2. 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

3. 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

4. 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

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

6. Classification des transposons à ADN (Wicker et al., 2007) classe II (transposons à ADN) Sous-classe 1 Sous-classe 2 Ordre ITR Ordre Crypton Ordre Helitron Ordre Maverick Crypton Hélitron Maverick Superfamilles Familles sous-familles lignées

7. Structure générale des transposons à ADN -Sous-classe I, ordre ITR ITR=Inverted Terminal Repeat 2500 bp Transposase gene 50 bp intron 5’UTR 3’UTR Transposase -Cterm Nterm- DBD=DNA binding domain - ZnF - HTH Fixation spécifique des ITRS NLS Domaine catalytique -DDE/D triade catalytique

8. TAXXAT AT XXTA Mécanisme de transposition de type « cut-and-paste » ADN donneur TA AT TA AT TSD TSD Transposon Tc1-mariner   TA AT TA AT Intégration Excision ADN cible TAXXAT ATXXTA TA AT Réparation de l’ADN par l’hôte TA AT TA AT Signature moléculaire transposition Duplication TSD Cicatrice d’excision

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 d’une 2 ORFs pour 2 superfamilles: CACTA et PIF/Harbinger

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

11. transposons à ADN actifs Naturels Synthétiques • Sleeping beauty (poisson salmonidé) • PiggyBac (insecte) • Himar1 (H. irritans) • Frog Prince (R. pipiens) • Harbinger3_DR (D. rerio) • Elément P (Drosophile) • Tc1 (C. elegans) • Impala, Fot1 (F. oxysoparum) Vecteurs de tranfert de gènes + versions hyperactives

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

13. 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 Sleeping Beauty (SB) Frog Prince (FP), PiggyBac (PB), Transposase Gène d’intéret ITR 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) Critères Transposase gene • phylogénétiquement lié à la transposase • existe en copie unique • conservé au cours de l’évolution • absence ITRs et TSDs • assume un rôle biologique important XX millions d’années Gène hôte Chez l’homme, 47 gènes dérivés d’ETs (+ de 38 copies différentes)

16. Exemples transposons à ADN domestiqués Volff, 2006

17. Diversité structurale

18. Diversité structurale Domestication du gène complet transposase RAG1->Recombinaison V(D)J Protéine chimérique: fusion entre gène complet transposase et domaine non apparenté Transposase ancestrale  SETMAR DNA repair DBD Catalytic domain Protéine chimérique: fusion entre DBD transposase et domaine non apparenté DBD Motif HTH - Paired domain (Tc1) - Pipsqueak domain (Pogo) - Myb/SANT/trihelix domain (PIF/Harbinger) Motif Zn finger - THAP (P) • BED domain (hAT) • WRKY/GCM1 (mutator)

19. Diversité évolutive

20. 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 CENP-B Abp1 Cbh1 Ségrégation chromosomes Formation hétérochromatine centromérique Casola et al., 2008

21. Diversité dans les scénarios évolutifs 3. Co-domestication PIF/Harbinger - Vertébrés Transposase Myb-like gene Transposon Harbinger ORF2 ORF1 Domestication Harbi1 Naif1 Sinzelle et al., 2008 - Drosophile Transposase MADF-like gene Transposon PIF ORF2 ORF1 Domestication DPLG7 DPM7 Casola et al., 2007

22. Diversité fonctionnelle

23. 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

24. 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

25. Protéine domestiquée SETMAR

26. 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

27. 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

28. HARBI1 et NAIF1

29. Transposon Harbinger3_DR - Superfamille PIF/Harbinger - isolé du génome de zebrafish (Kapitonov and Jurka, 2004) Harbinger3_DR (5 copies) 3599 bp ORF2 ORF1 12 bp ITR 221-aa protein (Myb-like) 343-aa DDE Transposase (Tnp) N C F W W Rôle (s) de la transposase et de la protéine Myb-like dans le mécanisme de transposition??

30. Transposon Harbinger3_DR et protéines domestiquées Tnp Myb-like D D E (Kapitonov and Jurka, 2004) (Sinzelle et al., 2008) HARBI1 NAIF1 D D E N 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 - Induit l’apoptose quand surexpression (Lv et al.,2006) rôle(s) physiologiques ? Co-domestication des deux protéines d’un même transposon

31. Homologie fonctionnelle Harbinger3_DR Tnp Harbinger3_DR Myb-like Human NAIF1 Human HARBI1 •  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

32. 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.