Bases moléculaires du conflit génétique induit par la distorsion de ségrégation des chromosomes sexuels chez Drosophila simulans

par Cécile Courret

Projet de thèse en Sciences de la vie et de la santé

Sous la direction de Catherine Montchamp-moreau et de Benjamin Loppin.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Structure et Dynamique des Systèmes Vivants , en partenariat avec Évolution, Génomes, Comportement et Écologie (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2016 .


  • Résumé

    Description du sujet : Le contexte A travers la méiose, la reproduction sexuée assure avec une égale probabilité la transmission des chromosomes sexuels X et Y dans les spermatozoïdes Cette règle souffre cependant d'exceptions. Ainsi, chez plusieurs espèces de drosophile, certains mâles produisent très peu de spermatozoïdes porteurs du chromosome Y. En conséquence leur descendance est quasi-exclusivement composée de femelles. Cette distorsion de ségrégation (dite sex-ratio) est due à des éléments génétiques portés par le chromosome X, qui favorisent leur propre transmission en empêchant la production de spermatozoïdes Y (1). De tels éléments distorteurs, induisant un fort biais de sexe ratio (90-95 % de femelles), se sont répandus dans les populations naturelles de Drosophila simulans (système Paris). La sélection naturelle, qui tend à maintenir un sexe ratio équilibré, favorise à la fois l'évolution de suppresseurs de la distorsion sur les autosomes et celle de chromosomes Y résistants (1). Ainsi, les distorteurs du système Paris sont totalement suppressés dans certaines de populations (1,2,3) . La ségrégation équilibrée des chromosomes sexuel apparaît ainsi comme un état fragile dans un contexte de course aux armements où distorteurs et suppresseurs s'accumulent dans les génomes. Ce type de conflit intragénomique est un moteur puissant de l'évolution, car il peut induire des changements du comportement reproducteur, du déterminisme du sexe, et même l'émergence de nouvelles espèces (1). Cependant ses bases moléculaires sont encore très largement inconnues. Le sujet proposé vise à combler cette lacune. Nos travaux précédents sur le système Paris ont révélé que le déficit en spermatozoïdes Y résulte de la non-disjonction du chromosome Y en méiose 2 (4). Nous avons récemment identifié un des deux éléments distorteurs portés par le chromosome X (5). Il s'agit du gène HP1D2, qui code pour une protéine de la famille des HP1 (Heterochromatin Protein 1). Les HP1 régulent la structure de l'hétérochromatine en interagissant avec de nombreux partenaires moléculaires. Nous avons montré que HP1D2 est exprimée dans les spermatogonies, où elle se lie spécifiquement au chromosome Y, entièrement hétérochromatique chez D. simulans. L'objectif est maintenant d'identifier les autres éléments du système Paris: distorteurs, suppresseurs, et cibles. Programme de travail il comporte deux axes indépendants, qui pourront être plus ou moins explorés en fonction des difficultés rencontrées. Le premier axe concerne les éléments suppresseurs, le second les éléments distorteurs et les cibles de HP1D2. I- Déterminisme génétique de la suppression (i) Recherche de QTL par analyse de liaison (année 1) Pour cette partie, le projet bénéficie d'un ensemble de 180 lignées consanguines recombinantes (RILs). Elles ont été produites par l'équipe à partir de deux lignées parentales hautement consanguines de D. simulans, issues de populations naturelles contrastées: - la première est porteuse de suppresseurs sur les deux principaux autosomes. Ceux-ci assurent ensemble une suppression totale de la distorsion(3), - la seconde est totalement dépourvue de suppresseurs. Le pouvoir suppresseur des autosomes de chaque RIL a été déterminé en les confrontant à un même chromosome X distorteur de référence par une procédure appropriée de croisements contrôlés. Le génome nucléaire des deux lignées parentales a été séquencé, et des SNPs qui les différencient et sont régulièrement répartis sur la carte génétique des autosomes viennent d'être sélectionnés pour être utilisés comme marqueurs dans une analyse de liaison. Le génotypage des RIls est en cours. il utilise la méthode de PCR allèle-spécifique compétitive du système KASPar (collaboration avec L. Moreau, UMR de Génétique Végétale du Moulon, financement ANR SexChroDrive). La détection des QTLs pourra être conduite à l'aide de logiciels classiquement utilisés à cet effet (par ex.R qtl ou QTL cartographer). (ii) Cartographie fine de(s) suppresseur(s) à effet majeur L'analyse de liaison devrait révéler une ou plusieurs régions autosomales contenant un QTL à effet majeur. En fonction des résultats, différentes procédures de croisement pourront être appliquées pour générer et sélectionner des évènements de recombinaison autour de ce QTL. L'objectif est de réduire la taille, et donc le contenu en gènes de la région candidate. (iii) tests fonctionnels de gènes candidats Des tests fonctionnels des gènes candidats issus de (ii) seront réalisés grâce à des expériences de transgénèse. Les outils développés chez D. melanogaster (système UAS-Gal4, shRNA, transformation site-spécifique via PhiC31 integrase, ou CRISPR/Cas9...) sont transposables à D. simulans. L' équipe a notamment l'expérience de la production et de l'utilisation de constructions pour sur-exprimer ou au contraire éteindre un gène dans la lignée germinale de D. simulans (5). II- Bases moléculaires de la distorsion (i) test fonctionnels de gènes candidats La distorsion résulte de l'action conjointe (épistasie) du gène HP1D2 et d'un second élément, génétiquement indissociable d'une duplication en tandem de 36kb (DpSR), qui comporte 6 gènes (6). Pour identifier le gène (ou la séquence) de la duplication qui est responsable de son pouvoir distorteur, nous utiliserons l' outil CRISPR/Cas9 sur une souche portant un chromosome X distorteur de référence. Il s'agira d'exciser sélectivement certaines portions de la duplication et à l'inverse les insérer dans un génome dépourvu de DpSR, mais portant un allèle de HP1D2 potentiellement distorteur. (ii) partenaires et cibles de HP1D2 (coll. B. Loppin , LBBE Lyon) HP1D2 présente la structure classique des protéines de la famille HP1: un chromo-domaine, qui se lie aux histones méthylées, et un chromoshado-domaine, impliqué dans la dimérisation et les interaction avec des partenaires protéiques. Ces deux domaines sont liés par un Hinge, qui permet l'interaction avec l'histone H1, des liaisons non spécifiques à l'ADN et à l'ARN). La méthode générale consistera à utiliser des lignée transgénique HP1D2-GFP (allèle distorteur ou non distorteur) que nous avons construite pour: - immunoprécipiter la chromatine de testicules HP1D2-GFP pour rechercher ensuite l'ADN associé par séquençage (ChIp-Seq) - identifier les protéines partenaires par co-imunoprécipitation et spectrométrie de masse. Les interactions de HP1D2 avec ses partenaires seront examinés en contextes suppresseur et non suppresseur. L'ensemble des résultats sera utilisé pour proposer un modèle d'interaction entre les différentes composantes du système distorsion-suppression qui auront été identifiées. Références bibliographiques (1) Helleu Q, Gérard P.R., Montchamp-Moreau C. 2014. Sex chromosome Drive. in The genetics and biology of sexual conflicts. pp165-180. W.R. Rice and S. Gavrilets Eds. CSH Press. (2) Bastide H, Gérard PR, Ogereau D, Cazemajor M, Montchamp-Moreau C. 2013. Local dynamics of a fast-evolving sex-ratio system in Drosophila simulans. Mol Ecol 22: 5352–5367. (3) Cazemajor M., Landre C., and C. Montchamp-Moreau, 1997 The sex-ratio trait in Drosophila simulans : Genetic analysis of Distortion and Supression. Genetics 147 : 635-642 (4) Cazemajor M, Joly D, Montchamp-Moreau C. 2000. Sex-ratio meiotic drive in Drosophila simulans is related to equational nondisjunction of the Y chromosome. Genetics 154: 229–236. (5) Helleu Q., Gérard PR., Dubruille R., Ogereau D., Prud'homme B., Loppin B. and Catherine Montchamp-Moreau, 2016 Rapid evolution of a Y-chromosome heterochromatin protein underlies sex chromosome meiotic drive. PNAS Mar 15. pii: 201519332. (6) Fouvry L., Ogereau D., Berger A., Gavory F. and C. Montchamp-Moreau. 2011. Sequence analysis of the segmental duplication responsible for Paris sex-ratio drive in Drosophila simulans. G3 1:401-410

  • Titre traduit

    Molecular bases of the genetic conflict caused by sex chromosome segregation distortion in Drosophila simulans


  • Résumé

    Mendel's first law of genetics stating that two alleles of a heterozygote are transmitted to the next generation with an equal probability is not always observed in nature. Some allele or chromosome ensures their own preferential transmission to the next generation by affecting meiosis or gamete maturation. By affecting the core process of gene transmission and usually lowering individual fitness, these selfish elements, which are referred to as meiotic drivers or segregation distorters, can trigger genetic conflicts with impact on genome and species evolution. The present project aims at identifying a set of genes involved in a well-known case of sex-ratio meiotic drive - the Paris system - and understanding how they act. The sex-ratio segregation distorters are typically linked to the X chromosome and prevent the production of Y-bearing sperm, which results in strong female-bias among the progeny from affected males. When a sex-ratio distorter allele spreads in populations, this sets the stage for an endless arms race involving the whole nuclear genome to control the sexual proportion: alleles at other X-linked genes are selected if they increase the drive (enhancers), whereas those on the Y and on the autosomes are selected to suppress it (suppressors). Meiotic drive is known in a variety of sexual organisms, however very few distorter and suppressor genes have been identified so far. Indeed genetic interactions inherent to these systems promote their evolution in non-recombining regions, thus preventing any genetic analysis. The characteristics of the Paris system, discovered in the species Drosophila simulans by one of the partner teams, make its genetic dissection possible and suggest that change in gene expression plays a primary role. The project then brings together four teams to develop three complementary approaches: 1) Genetic mapping: To characterize the autosomal suppressors, we shall first use a large set of recombinant inbred lines (RIAILs) to develop a QTL mapping approach. Then, we will identify major QTL(s) by developing positional cloning to narrow the candidate regions (task 3). 2) Functional validation of candidate genes: A selection of significant candidate genes, provided by genetic mapping and expression studies, for distortion and suppression, will be subjected to functional validation using appropriate transgenic tools developed in D. simulans by one of the partner teams. In particular, we shall use UAS and Gal4 constructs for overexpression and knockdown of candidate genes. 3) Identification of protein partner and target of HP1D2 : using CoImmunoprecipation assay and ChIPseq analyses. The final result of the project will be a molecular model of Paris sex-ratio drive, helpful for understanding the molecular and cellular mechanisms underlying drive in general and bringing some light to its evolutionary significance. We will also obtain a bulk of empirical data and tools allowing further exploration and enhancement of the model in the future. Besides, it could open perspectives to control the population growth of pest insects.