Mechanism of regulatory evolution : studies on the gain and diversification of wing pigmentation patterns in Drosphila

par Kathy Su

Thèse de doctorat en Biologie, Spécialité biologie du développement

Sous la direction de Nicolas Gompel.

Le président du jury était Julien Royet.

Le jury était composé de Nicolas Gompel, Julien Royet, Alistair Mc Gregor, Mathieu Joron.

Les rapporteurs étaient Alistair Mc Gregor, Mathieu Joron.

  • Titre traduit

    Evolution des mécanismes régulatoires : Etudes sur l'émergence et la diversification des motifs de pigmentation de l'aile chez lzs drosophiles


  • Résumé

    La génération de la diversité morphologique n’implique pas seulement l’émergence de nouveaux caractères morphologiques, mais aussi la modification de caractères pre-existants. Des changements dans l'expression génique sous-tendent l’apparition et la divergence de morphologies au cours de l'évolution. Les variations de l'expression d'un gène peuvent résulter des modifications dans la séquence nucléotidique de ses éléments cis-régulateurs (ECRs) et/ou dans la séquence codante des facteurs de transcription (FTs) qui le régulent. En conséquence, la compréhension de l'évolution d'un nouveau trait exige l'élucidation des modifications en cis et en trans expliquant les différences d'expression des gènes. Les études sur la pigmentation des drosophiles ont considérablement contribué à notre compréhension du rôle joué par la modification des ECRs dans la diversification morphologique. Pour comprendre les mécanismes génétiques et moléculaires qui sous-tendent l’émergence et la diversification des traits morphologiques, nous avons décidé d’étudier l'évolution des motifs de pigmentation de l’aile chez les mouches du groupe d'espèces Drosophila melanogaster. Nous constatons que la diversification des modes de pigmentation de l’aile dans ce groupe est en corrélation avec la divergence d'expression d'un gène de pigmentation, yellow. Nous avons choisi de disséquer la régulation transcriptionnelle de yellow dans l’une des espèces tachetées, Drosophila biarmipes, avec pour objectif d'élucider les mécanismes responsables de la diversification de l'expression de yellow.Drosophila biarmipes, une espèce proche de Drosophila melanogaster, a développé une nouvelle tache de pigmentation sur aile qui est absente chez D. melanogaster. L'évolution de ce caractère est corrélée au changement d’expression de yellow. Une précédente étude a identifié, dans la région 5' du promoteur de yellow de D. biarmipes, un ECR qui suffit à reproduire une partie de l'expression de yellow lorsqu’il est transformé chez D. melanogaster. Avec un crible RNAi, j’ai identifié cinq FTs qui peuvent réguler l’ECR de yellow. Un de ces candidats, Distal-less, est exprimé d’une façon qui correspond à celle de l'expression de yellow et au profil de la pigmentation de l’aile chez D. biarmipes. Une analyse comparative de Distal-less et yellow a mis en évidence que les profils d'expression de ces gènes sont également corrélés avec les différents patrons de pigmentation dans les ailes d’autres espèces de drosophiles. J’ai aussi pu montrer que la surexpression de Distal-less dans l’aile de D. biarmipes est suffisante pour induire de la pigmentation ectopique. Ceci suggère que Distal-less ne régule pas seulement yellow, mais l’ensemble des gènes de pigmentation nécessaires à l’apparition de tache chez D. biarmipes. Mon travail montre que l'évolution de nouveaux motifs de pigmentation a commencé par le recrutement de Distal-less sur une batterie de gènes pigmentation. A partir de ces constatations, nous proposons un modèle expliquant les mécanismes de régulation conduisant à l'émergence et la diversification des motifs de pigmentation de l'aile au sein du groupe d'espèces melanogaster. Nous suggérons que dans un ancêtre commun de ce groupe, Distal-less a été recruté par une batterie des gènes de pigmentation, qui conduisent à l'émergence d'un motif de pigmentation. Par ailleurs, nous faisons l’hypothèse qu’une fois un lien régulatoire a été formé entre Distal-less et les gènes de pigmentation, alors la divergence d'expression de Distal-less pourrait entraîner des changements dans la régulation spatiale de tous les gènes de pigmentation donnant lieu à la diversification des motifs de pigmentation.


  • Résumé

    The generation of morphological diversity involves not only the emergence of novel morphological traits but also the modification of pre-existing ones. To understand the genetic and molecular mechanisms underlying the gain and diversification of morphological traits, we chose to study the evolution of wing pigmentation patterns in a group of flies in the melanogaster species group. We find that the diversification of wing pigmentation patterns in this group is mirrored by the divergence of expression of a pigmentation gene, yellow. To decipher the regulatory mechanisms underlying the diversification of yellow expression, we chose to dissect the transcriptional regulation of yellow in one spotted species, D. biarmipes. A functional dissection of the yellow spot enhancer, situated at the 5’ of the D. biarmipes yellow promoter, shows that a homeobox transcription factor, Distal-less (Dll), is a direct activator of yellow. Moreover, we show that ectopic expression of Dll is sufficient to induce ectopic pigmentation in D. biarmipes, which suggests that Dll is regulating yellow and other pigmentation genes. Furthermore, we find that the divergence of Yellow expression pattern in the melanogaster species group is correlated with the divergence in expression of Dll. Based on our findings we propose a model to explain the regulatory mechanisms that lead to the emergence and diversification of wing pigmentation patterns within the melanogaster species group. We suggest that in a common ancestor of all spotted species within the Oriental lineage, there was a gain of regulatory links between Dll and terminal pigmentation genes, such as yellow, which lead to the emergence of an ancestral pigmentation pattern. We further propose that once a regulatory link was formed between Dll and terminal pigmentation genes, divergence of Dll expression could lead to changes in the spatial regulation of all downstream target genes, which would give rise to the diversification of pigmentation patterns. Our study illustrates how key regulators of terminal genes could be targets for mutations that are more likely to lead to morphological diversification.


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