Identification de gènes de dessin de plumage chez les oiseaux

Molecular identification of colour pattern genes in birds

• Auteur / Autrice : Doreen Schwochow-Thalmann
• Direction : Leif Andersson, Michèle Tixier-Boichard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génétique animale
• Date : Soutenance le 03/03/2018
• Etablissement(s) : Paris, Institut agronomique, vétérinaire et forestier de France en cotutelle avec Sveriges lantbruksuniversitet
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, alimentation, biologie, environnement, santé (Paris ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Génétique animale et biologie intégrative (Jouy-en-Josas,Yvelines ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Anna Qvarnström
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michèle Tixier-Boichard, Anna Qvarnström, Olivier Demeure, Anna Maria Johansson
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anna Qvarnström, Olivier Demeure, Anna Maria Johansson

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse

Recherche

Information génétique

Génétique

Couleur

Oiseaux

Identification

Animaux -- Variabilité

Mots clés libres

Oiseaux

Poulet

Chevalier combattant

Coloration du plumage

Dessin de plumage

MC1R

Barrure autosomale

Barrure liée au sexe

Mélanocyte

Follicule plumeux

Birds

Chicken

Ruff

Pigmentation

Plumage

Feather pattern

MC1R

Autosomal barring

Sex-linked barring

Melanocytes

Feather follicle

Résumé

Le plumage des oiseaux montre une diversité de coloration spectaculaire. L’objectif de cette thèse est d’élucider les mécanismes génétiques contribuant à cette diversité en étudiant plus particulièrement la formation de dessins sur la plume et sur le corps. Les études I et II sont consacrées à deux dessins de barrure chez le poulet : la barrure autosomale et la barrure liée au sexe. En réalisant un croisement en retour à partir de la race Fayoumi, nous avons pu démontrer que la barrure autosomale est associée à une région du chromosome 11 et porte le gène de pigmentation MC1R. L’analyse fonctionnelle met en évidence qu’une mutation faux-sens, et non une modification de régulation, a le rôle d’une mutation causale. Dans l’étude II, nous démontrons que la barrure liée au sexe est créée par la combinaison de mutations de régulation en cis et de mutations faux-sens dans le gène CDKN2A. L’activation de l’expression de CDKN2A par deux mutations non-codantes détermine un phénotype de barrure très dilué. Des tests fonctionnels in vitro révèlent que les deux mutations faux-sens identifiées dans le même gène restreignent sa fonction et diminuent l’effet de dilution des mutations non-codantes. Seule la combinaison des mutations de régulation et d’une des mutation faux-sens, produit la barrure bien nette observée dans les races de poule actuelles. Les études III et IV précisent les mécanismes contrôlant la variation des dessins de plumage chez les oiseaux sauvages. Le chevalier combattant Philomachus pugnax présente trois formes reproductives chez le mâle, dénommées ‘indépendant’, ‘satellite’ et ‘faeder’. Nous avons d’abord identifié une inversion de 4.5 Mb chez les mâles satellite et faeder, qui diffèrent nettement entre eux, comme de l’indépendant, par leur comportement, leur stratégie reproductive et l’aspect de leur plumage. Un examen plus précis de la structure de l’inversion a montré que les points de cassure interrompaient le gène CENPN ce qui rend l’inversion létale à l’état homozygote. Nous avons identifié un grand nombre de variants contribuant assez probablement au phénotype et avons découvert quatre SNPs dans l’allèle MC1R du mâle satellite. L’étude IV a consisté à analyser la contribution de ces mutations de MC1R au plumage clair du mâle satellite pendant la reproduction. Nos données montrent que MC1R est activé dans les plumes colorées du mâle satellite en raison d’une plus forte expression de l’allèle indépendant. L’étude de la signalisation de MC1R en culture cellulaire a ensuite révélé que les mutations altèrent les propriétés du récepteur, mais suggère aussi que l’évaluation fonctionnelle du MC1R aviaire en cellules mammaliennes ne rend pas complètement compte du rôle complexe que MC1R joue dans les mélanocytes aviaires.

Birds display a spectacular range of plumage pigmentation. The purpose of this thesis was to elucidate genetic mechanisms that contribute to pattern formation on individual feathers and the body. In study I and II, we investigated two barring patterns in chicken. We show that in the Fayoumi breed autosomal barring is associated with a 1Mb un-recombined region on chromosome 11, which contains the MC1R gene. Our functional analysis strongly suggests that autosomal barring is primarily caused by activating MC1R mutations and that other loci contribute to the appearance of the pattern. In study II, we demonstrate that sex-linked barring is created by a combination of cisregulatory and missense mutations in the CDKN2A/ ARF gene. We demonstrate that the upregulation of CDKN2A expression is caused by non-coding mutation(s) and is resulting in a dilute barring pattern. Functional testing revealed that the two missense mutations in ARF hamper its function and restrict the diluting effect of the non-coding mutations. Only the combination of both regulatory and missense mutations generates clear barring pattern as observed e.g. in the Barred Plymouth Rock. In study III and IV, we investigated the genetic mechanisms driving pigment pattern variation in the ruff (Philomachus pugnax). We first identified a 4.5 Mb inversion to be associated with the two male reproductive morphs called satellite and faeder. These morphs differ substantially in behavior, reproductive strategy, body size and plumage appearance between each other as well as from the third, more prevalent morph, the independent. The inversion disrupts the CENPN gene making this genomic re-arrangement homozygous lethal. We identified a large set of variants; among them four missense mutations in MC1R associated with the Satellite allele. In study IV, we explored whether these MC1R mutations are contributing to the light display plumage of the satellite morph. Our data shows that MC1R is up-regulated in all coloured satellite feathers and that this is due to a higher expression of the Independent allele. Evaluation of MC1R signaling in cell culture models subsequently revealed that the mutations alter receptor properties such as cAMP production, sensitization and surface expression but also suggests that transfection assays using mammalian cells might not reveal the complex function MC1R is most likely having in avian melanocytes.