Pr

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Transposons à ADN et gènes domestiqués

• Ludivine SINZELLE
• Post-doc, Laboratoire Epigenomics
• Génopole, Evry

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Parcours
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)
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
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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

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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
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Classification des ETs
- 2 classes selon le mécanisme de transposition
(Finnegan, 1989)
Classe I ou rétrotransposon
Transposition copier-coller
RT
ARN
ADN
intégrase
ARN pol
ADN génomique
ET
ADN
transposase
transposase
Classe II ou transposon à ADN
Transposition couper-coller
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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
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Structure générale des transposons à ADN
-Sous-classe I, ordre ITR
ITRInverted Terminal Repeat
2500 bp
Transposase gene
50 bp
intron
5UTR
3UTR
Transposase
Nterm-
-Cterm
DBDDNA binding domain - ZnF - HTH Fixation
spécifique des ITRS
NLS
Domaine catalytique -DDE/D triade catalytique
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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 lADN par lhôte
TA AT
TA AT
Signature moléculaire transposition
Duplication TSD
Cicatrice dexcision
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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
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Eléments autonomes et non-autonomes
Eléments autonomes
Eléments non-autonomes
- Eléments actifs
- MITEs Miniature Inverted-repeat Transposable
Elements
Cis
Trans
- Eléments défectifs
Mutations Délétions
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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
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Pourquoi étudier les TEs?
Abondance
ETs représentent 45 du genome humain !!!
Hua-van et al, 2005
Répartition
Feschotte and Pritham, 2007
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Pourquoi étudier les ETSs?
Impact sur lévolution 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 lhôte, évolution, régulation de la
transposition par lhôte
Mise au point de vecteurs pour la thérapie-génie
ou pour la mutagenèse insertionnelle
Sleeping Beauty (SB) Frog Prince (FP), PiggyBac
(PB),
Transposase
Gène dintéret
ITR
ITR
Plasmide
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II. Transposons domestiqués
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 Domestication moléculaire 
Domestication moléculaire ( gène
domestiquégène co-opténéogène) 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 lévolution
• absence ITRs et TSDs
• assume un rôle biologique important

XX millions dannées
Gène hôte
Chez lhomme, 47 gènes dérivés dETs ( de 38
copies différentes)
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Exemples transposons à ADN domestiqués
Volff, 2006
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Diversité structurale
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Diversité structurale
Domestication du gène complet transposase
?RAG1-gtRecombinaison 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)

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Diversité évolutive
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Diversité dans les scénarios évolutifs
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
Mammifères
Levure
Transposase Pogo 1
Transposase Pogo 2
Domestication
Cbh2
CENP-B
Abp1
Cbh1
Ségrégation chromosomes Formation
hétérochromatine centromérique
Casola et al., 2008
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Diversité dans les scénarios évolutifs
3. Co-domestication PIF/Harbinger
- Vertébrés
Transposase
Myb-like gene
Transposon Harbinger
ORF1
ORF2
Domestication
Harbi1
Naif1
Sinzelle et al., 2008
- Drosophile
Transposase
MADF-like gene
Transposon PIF
ORF1
ORF2
Domestication
DPLG7
DPM7
Casola et al., 2007
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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 lhoméostasie
• DREF (Drosophile) ? facteur de transcription
  (réplication de lADN, 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

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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

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Protéine domestiquée SETMAR
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Création de la protéine chimérique SETMAR
- 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
4 conversion ADN non-codant en séquence
Exonique (vert) création dun 2nd intron (bleu)
3 délétion qui élimine le codon-stop
1 insertion dune 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
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SETMAR
Fonctions biochimiques
? 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
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
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HARBI1 et NAIF1
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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
W
W
F
Rôle (s) de la transposase et de la protéine
Myb-like dans le mécanisme de transposition??
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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 lapoptose quand surexpression
(Lv et al.,2006)
rôle(s) physiologiques ?
Co-domestication des deux protéines dun même
transposon
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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 lADN
• NAIF1 et protéine Myb-like sont des protéines
  de fixation à lADN

Etude du mécanisme de transposition ? fonctions
biologiques des protéines domestiquées
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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.