LES CHROMOSOMES SEXUELS DE W À Z: ORGANISATION ET

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LES CHROMOSOMES SEXUELS DE W À Z: ORGANISATION ET
I.
Avoir des mâles et des femelles
A.
B.
II.
Modes de détermination du sexe
Le sex ratio
La composition en gènes des chromosomes sexuels
A.
Le cas des mammifères: la paire XY humaine
1.
2.
3.
B.
Le cas des non-mammifères
1.
2.
C.
III.
Un air de famille entre le chromosome sexuel Z de poulet et le chromosome 9 humain
Quel âge auraient les gènes DMRT1 et SRY?
D’un même « fond », faire plusieurs génomes
D’un même « fond », faire plusieurs réseaux d’interactions et de régulation géniques
Comment faire des chromosomes de morphologies différentes?
A.
B.
Un cas bien documenté: le Y humain
Est-ce un cas particulier ou un modèle?
1.
2.
3.
C.
V.
Le médaka
Le poulet
Un peu d’histoire
A.
B.
C.
IV.
Le chromosome Y
Le chromosome X
Les forces évolutives
Retrouve-t-on le processus chez d’autres organismes?
Quel est l ’ordre des gènes sur d’autres chromosomes Y par rapport à l’X?
Que sait-on de ce qui se passe chez les plantae?
Vers un « cycle biologique » du chromosome Y? et comment tester son existence réelle?
Conclusion générale
LES CHROMOSOMES SEXUELS DE W À Z:
ORGANISATION ET ÉVOLUTION DES PAIRES XY ET ZW
(BIO25 POLY 3)
1
I. Avoir des mâles et des femelles
A. Modes de détermination du sexe
B. Le sex ratio
2
Détermination du sexe
• Gènes et chromosomes sexuels
–
–
–
La plupart du temps deux chromosomes
différents, seulement
Sexe homogamétique et sexe
hétérogamétique
Espèces XX et XY: homme, souris,
drosophile…
•
•
•
–
–
Le locus Sry  voir cours de Keith Dudley
La compensation de dose  voir cours de Keith
Dudley
Le rapport autosomes : chromosomes sexuels
 voir cours de Keith Dudley
Exemple de C. Elegans: XX et
hermaphrodite, XO et mâle
Espèces ZW et ZZ: oiseaux, papillons,
phalènes, quelques reptiles, quelques
poissons…
•
Le locus Dmrt1  voir cours de Keith Dudley
• Le système haplo-diploïde
– c’est le nombre de chromosomes
qui importe (femelles 2n et mâles
n chez les hyménoptères, ()
œuf non fécondé se
développant par
parthénogenèse
3
La détermination du sexe par l’environnement:
le cas de la température
–
–
Chaque individu a l’ensemble des gènes nécessaires pour faire
un mâle ou une femelle
L’expression des gènes mâles ou femelles dépend de
l’environnement à un moment donné du développement
• Alligator américain:
–
–
moins de 30°C entre le 7ème et le 21ème jour d’incubation femelles
Au-dessus de 34°C  mâles
• Crocodile australien: c’est l’inverse
Alligator américain, Floride
Différentes modalités de détermination du sexe par la température
D'après C.Pieau, "Temperature variation and sex
determination in reptiles" in BioEssays, vol.18, no1, 1995
Crocodile australien, Adelaïde river
4
La détermination du sexe : la dichotomie
génétique/température n’est pas absolue
Le cas de deux lézards australiens
Bassiana duperreyi
La détermination du sexe repose sur:
-La génétique (présence d’un chromosome Y)
-La température
-La position du vitellus dans l’œuf (à vérifier
cependant)
wikipedia
Pogona vitticeps
La détermination du sexe repose sur:
-La génétique (présence d’un micro chromosome
W)
-La température
wikipedia
5
La détermination du sexe: la place dans la
hiérarchie
• chez de nombreux
poissons
– Femelle  mâle
• Un groupe = Un mâle et
des femelles
• Si le mâle meurt, la femelle
dominante se transforme
en mâle; si elle/il meurt,
c’est la femelle suivante
dans la hiérarchie
– Mâle  femelle
• Un couple dans une
anémone de mer
• Si la femelle est enlevée, le
mâle se transforme en
femelle et un mâle (de
taille plus petite) vient
vivre dans l’anémone
Labroides dimidiatus
Coris gaimardi
Poisson clown
Amphiprion ocellaris
6
Détermination du sexe chez les vertébrés et phylogénie
JM Graves, 2006
7
L’étrange cas de l’ornithorynque
– C’est un mammifère qui pond des œufs
– 5 paires de chromosomes sexuels (X5Y5)!!
– De nombreuses questions sur l’histoire évolutive de ce système et sur
l’identification d’un gène maitre de détermination du sexe
Myopus schisticolor,
Le Lemming des bois
http://storage.kanshin.com/
On y trouves des
mâles et des
femelles XY (et XX)
http://rongeurboutik.com/
Dicrostonyx torquatus - The
Arctic Collared Lemming
Tokudaia osimensis
Ryukyu Spiny Rat
Mâle et femelles sont XO
2n=25
Ellobius lutescens
Le Tunnelier du Caucase
Mâle et femelles sont XO
2n=17
Ellobius tancrei
http://www.zooeco.com/
http://www.zoologi.no/
www.bio.davidson.edu
Certains rongeurs sont des cas très
particuliers
Mâle et femelles sont XX
2n=54
9
Les variations du mode de détermination
du sexe: les insectes
• L’élimination d’un
chromosome X comme mode
de détermination du sexe : les
pucerons
– Les femelles (2n) sont XX
– Leurs fils parthénogénétiques (2n)
sont XO
10
les hermaphrodites:
le meilleur des deux mondes?
– L’hermaphrodisme : simultané, croisé, séquentiel
– Rare chez les animaux multicellulaires
• Intéressant en cas de populations de faible densité ou d’immobilité
– Si les occasions de reproduction augmentent, alors la spécialisation en 2
sexes redevient une bonne stratégie
• Exemple des vers plats marins Pseudobiceros hancockanus et Pseudobiceros bedfordi
(plathelminthe turbellarié)
Pseudobiceros bedfordi
Pseudobiceros hancockanus
11
Le sex ratio
• Le sex ratio 1:1
– Chez (quasiment toutes) , les
espèces à reproduction sexuée
exclusive le rapport mâle :
femelle est très voisin de 1 : 1
– Et pourtant, chez les espèces où
le père ne contribue pas à
l’élevage, les mâles
consomment inutilement des
ressources….
– La mécanique de la méiose
n’explique pas tout (et
l’argument mécanique peut être
considéré inversement)
Nasonia vitripenis
• Mais il y a bien sûr des
exceptions
– Chez des insectes
– Chez la fauvette des Seychelles:
manipulation du sex ratio par la
mère en fonction de
l’environnement!
Acrocephalus sechellensis
12
II. La composition en gènes des
chromosomes sexuels
A. Le cas des mammifères: la paire XY humaine
1.
2.
3.
Le chromosome Y
Le chromosome X
Les forces évolutives
B. Le cas des vertébrés non-mammifères
1.
2.
Le médaka
Le poulet
C. Un air de famille entre le chromosome sexuel Z de
poulet et le chromosome 9 humain
13
Les chromosomes X et Y humains
• 1890 Hermann Henking identifie un
chromosome unique qui ségrège dans
seulement la moitié des
spermatozoïdes de l’insecte
Pyrrhocoris. Il l’appelle "X," nom qui lui
est resté
• 1905 Nettie Stevens, du Bryn Mawr
College, sur Tenebrio  Y
• 1960 Hypothèse de Susumu Ohno,
après observation du déterminisme du
sexe chez les serpents : la paire de
chromosomes sexuels a évolué à partir
d’une paire d’autosomes (auteur aussi
de l’expression junk DNA)
14
Les chromosomes X et Y humains
• Repères chronologiques
– 2003 Séquence du chromosome
humain (SKALETSKY, Nature, juin 2003 ;
équipe de David PAGE, 40 signataires)
– 2005 Séquence du chromosome
humain (Nature, mars 2005; Mark Ross et
environ 300 signataires!)
• État actuel des connaissances sur les
chromosomes Y et X humains
• Quelles forces sélectives ont amené à
leur morphologie et contenu actuels?
15
Les chromosomes X et Y humains
X
Y
Taille estimée
≈ 155 Mb
≈ 58MB
Taille de la région
d’euchromatine
≈ 150 Mb
≈ 23Mb
Estimation du nombre de
protéines codées
≈ 800
≈ 60
Région PAR1
≈ 2.7 Mb
≈ 2.7 Mb
Région PAR2
≈ 0.33 Mb
≈ 0.33 Mb
Nombre de copies en
population
3
1
16
Le chromosome Y humain
•
•
•
•
•
•
équipe D. Page, 2003
Fraction euchromatique: 23Mb
Séquence de 97% de cette région euchromatique; taux d’erreur estimé à 1 nt sur 105
Hétérochromatine centromérique : ~ 1Mb
2ème région d’hétérochromatine: ~ 40Mb
3ème région d’hétérochromatine: ~ 0.4Mb
•http://www.ncbi.nlm.nih.gov/projects/genome/guide/human/
17
L’organisation génomique du chromosome Y humain
23MB d’euchromatine
La carte : équipe D. Page, 2003
transposée
amplicon
« dégénérée »
amplicon
amplicon
« dégénérée »
18
Les gènes et unités de transcription portés
par chromosome Y humain
MJ NOORDAN and S REPPING, Curr. Op. Gen. & Dev. 2006, 16, 225-232
• X-transposed (n=2)
–
–
TGIF2LY
PCDH11Y
Testis
Fetal brain, brain
• Ampliconic (n=12)
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
DAZ
GOLGA2LY
HSFY
PRY
RBMY
TSPY
VCY
XKRY
CDY1
BPY2
CDY2
CSPG4LY
Testis
Testis
Testis
Testis
Testis
Testis
Testis
Testis
Testis
Testis
Testis
Testis
• X-degenerate (n=17)
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
AMELY
DDX3Y
PRKY
SRY
SMCY
UTY
ZFY
TMSB4Y
EIF1AY
RPS4Y1
TBL1Y
RPS4Y2
NLGN4Y
–
–
–
–
USP9Y
CYorf14
CYorf15A
CYorf15B
Teeth
Ubiquitous
Ubiquitous
Testis
Ubiquitous
Ubiquitous
Ubiquitous
Ubiquitous
Ubiquitous
Ubiquitous
Ubiquitous
Testis, prostate
Fetal brain, brain, prostate,
testis
Ubiquitous
Ubiquitous
Ubiquitous
19
Ubiquitous
Les éléments transposables
Classification
1.
Classe I: les rétroéléments
1.
2.
3.
4.
5.
2.
Codent une transcriptase
inverse
Sur un ARN matrice
Copies supplémentaires de
l’élément original qui est
maintenu in situ
Rétrotransposons: avec LTR
Rétroposons : sans LTR; LINE et
SINE
Classe II :Transposons ADN
1.
2.
3.
Sous-division en fonction du
mode de transposition
Codent une transposase
Celle-ci coupe l’ADN cible et
réalise le transfert de la
séquence
20
Les séquences répétées du chromosome Y
• Catégories de séquences répétées dans MSY, équipe D. Page, 2003
21
Le chromosome X humain
• M. ROSS et al., 2005
– 99.3% de la séquence euchromatique a été
établie en 2005
– 1669 gènes (« transcripts ») (NCBI, janv 2011);
densité relativement faible
– Permet de préciser le contenu des PAR:
• 24 gènes sur PAR1
• 5 gènes sur PAR2
– 25 gènes (en dehors des PAR) ont un
homologue fonctionnel sur le Y
– 40% environ des gènes portés par le X seraient
exprimés dans le cerveau….
• http://www.ncbi.nlm.nih.gov/projects/genome/
guide/human/
http://embryology.med.unsw.edu.au/notes/genitalX.htm
22
Les gènes
portés par le
chromosome X
– Zechner et al., TIGS, 2001,
17, pp 697-701
– Nombre et fréquence
relative des gènes associé
aux retard mentaux chez
l’homme
23
Gènes portant des mutations dans les retards
mentaux non syndromiques liés à l’X
-PAK3 et GDI1 :homologues chez S. cerevisiae
-9 gènes identifiés en 2001
-38 gènes identifiés en 2009
red, regulation of transcription;
green, signal transduction;
blue, regulation of actin cytoskeleton;
purple, cell adhesion;
pink, ubiquitylation;
yellow, kinase activity and posttranslation modification;
grey, sodium ion transport;
white, other.
Jozef GÉCZ, Cheryl SHOUBRIDGE and
Mark CORBETT
Trends in Genetics
Volume 25, Issue 7, July 2009, Pages
308-316
24
Les gènes portés par le chromosome X
– Exemple dans l’espèce humaine (VALLENDER and LAHN,
BioEssays, 2004, 26, 159)
• Sur-représentation des gènes impliqués dans la reproduction, et
en particulier la reproduction masculine (développement des
cellules germinales mâles)
• Idem pour des gènes impliqués dans le développement du cerveau
– Autre hypothèse: cette catégorie de gènes était déjà sur le proto
chromosome X
• De nombreux gènes montrent une co-expression cerveautesticules (brain-testis connection): artéfact?
• Sur-représentation de gènes exprimés dans les muscles
squelettiques (idem pour les autosomes 17 et 19)
25
Les forces évolutives qui ont pu contribuer
à la structure actuelle de l’X et de l’Y
-bilan des forces évolutives pouvant agir sur le contenu des chromosomes X et Y
des mammifères
-VALLENDER and LAHN, BioEssays, 2004, 26(2) pp159-69
26
Est-ce le chromosome Y le mieux adapté qui est
sélectionné?
JM Graves, Cell, 2006, 124, 901-914
•
•
•
•
•
•
•
Violet = région PAR
Bleu foncé = gènes actifs
Bleu clair = pseudogènes
Gris clair = gènes délétés
Rouge foncé = gènes transposés
depuis un autosome
Des gènes avec une fonction
essentielle chez une espèce peuvent
être délété chez une autre (exemple
UBE1Y)
Est-ce indicatif de dégénérescences
indépendantes depuis 100 à 180
millions d’années???
27
Et chez les autres vertébrés non mammifères?
• Poissons
– 25 000 espèces; variété
immense de mécanismes
génétiques de
détermination du sexe
– L’un des modèles: le medaka
Oryzias latipes
O. curvinotus
O. dancena
O. luzonensis
O. hubbsi
28
Le déterminisme du sexe chez le
Medaka
•Détermination du sexe chez différentes espèces de Médaka (Oryzias)
•Notez la très grande plasticité du déterminisme
TAKEHANA et al., Chromosoma, 2007, 116, 463
29
Les chromosomes sexuels chez le Poulet
•
•
Poulet Gallus gallus domesticus: ZW/ZZ
CA SMITH and AH SINCLAIR, BioEssays,
2004, 26, 120-132
–
–
–
–
–
–
Chromosomes hétéromorphes
Absence de recombinaison entre Z et W
Génome séquencé en 2004
Environ 350 gènes sur le Z
Moins de 20 gènes sur le W
Le Z serait beaucoup plus conservé entre les
oiseaux que le W
NB: en 2007, seuls 17 gènes sont considérés
comme spécifiques du W (STIGLEC et al.)
30
Le déterminisme du sexe chez le Poulet
•Quel chromosome joue
un rôle? W ou Z?
•Ellengren, EMBO report,
2001, 21 192-196
•W: quel gène
déterminant le sexe
femelle? (on ne connait
pas de ZO) deux
candidats: HINTW et
FET1…
•Z: quel gène détermine
le sexe mâle? Dmrt1? (ce
gène est absent du
chromosome W)
•CA SMITH et al., en 2009: expérience de KO du gène DMRT1 par RNAi
Féminisation des testicules embryonnaires
il s’agit bien du gène déterminant le sexe mâle chez le poulet
31
Le chromosome Z du poulet et le chromosome 9
humain: un air de famille?
REMARQUE: Les ♂ humains XY
(donc porteurs du gène Sry) haploinsuffisants en DMRT1 souffrent de
dysgénésie gonadale et de
féminisation.
32
III. Un peu d’histoire
A. Quel âge auraient les gènes DMRT1 et SRY?
B. D’un même « fond », faire plusieurs génomes
C. D’un même « fond », faire plusieurs réseaux
d’interactions et de régulation géniques
33
Origine du gène SRY et systèmes de
détermination du sexe
DMRT1
HINTW?
FET1?
DMRT1?
GATA4?
SRY
Sry
SRY
Gènes déterminant le sexe
Système déterminant le sexe
Attention: les datations sont soumises
à des révisions!
-En 2008: Sry daterait de #160 millions
d’années
-Pour LECOINTRE et LE GUYADER, la
radiation des marsupiaux daterait de
120 millions d’années
-Quoiqu’il en soit, Sry semble être un
gène relativement jeune
VOIR AUSSI: WALLIS et al., Cell. Mol. Life
Sci. 2008, 65, pp3182-3195
PD WATERS, Seminars in Cell & Developmental Biology 2007, Volume 18, pp 389-400
34
Chromosomes sexuels et autosomes chez les
amniotes
Les régions conservées,
contenant des gènes
orthologues (gènes ayant
une même origine évolutive
et trouvés chez des espèces
distinctes) sont représentés
par les blocs de couleurs
verte, bleue, rouge et jaune
MARSHALL GRAVES and PEICHEL , Genome Biology ,2010, 11:205
35
Que remarque-t-on de l’étude de la détermination du sexe chez
les vertébrés?
-Pas de conservation des systèmes de
détermination du sexe (chromosomiques,
température)
-Conservation manifeste aux niveaux des gènes
mis en œuvre
-Deux gènes identifiés à ce jour: Sry et Dmrt1
-Voir le cours de K. Dudley
Pour un gène donné, le niveau d’expression:
-peut être comparé avec le niveau chez
l’autre sexe,
-mais
-ni avec le niveau d’expression chez
une autre espèce,
-ni avec celui d’un autre gène de la
même espèce
En pointillé: expression faible
En trait fin : expression modérée
En trait épais: expression forte
MORRISH and SINCLAIR, Reproduction, 2002, 124, 447-457
36
IV. Comment faire des
chromosomes de morphologie
différente?
IV. Un cas bien documenté: le Y humain
V. Est-ce un cas particulier ou un modèle?
IV.
V.
VI.
Retrouve-t-on le processus chez d’autres organismes?
Quel est l ’ordre des gènes sur d’autres chromosomes Y par rapport à l’X?
Que sait-on de ce qui se passe chez les plantae?
VI. Vers un « cycle biologique » du chromosome Y? et
comment tester son existence réelle?
37
Comment expliquer la morphologie
des chromosomes X et Y humains?
• En étudiant l’archéologie des
chromosomes: on identifie des « strates
évolutives » sur le X et le Y
– Lahn et Page, Science, 1999
– Choix de 19 paires de gènes
– Mesure de la divergence des séquences
(positions nucléotidiques neutres)
38
Comment ont divergé les chromosomes X et Y
humains?
•Plot of Ks versus X-linked gene order for 31 X–Y gene (or gene/pseudogene) pairs.
•SKALETSKY et al., Nature 2003
39
Comment ont divergé les chromosomes X et Y humains?
Lahn et Page, 1999
Dorus, Wyckoff et Lahn, 2006
??
40
Éléments d’histoire évolutive du
chromosome Z
• Un début de reconstitution
de l’histoire du
chromosome Z
– L-J LASON HANDLEY et al.,
Genetics, 2004
– Cinq paires de gènes
– Au moins 2 strates évolutives
sur le Z
41
Mais on ne retrouve pas
systématiquement cette histoire!
• Autruche, émeus, casoar: pas de chromosomes sexuels
identifiables cytologiquement (ou très difficilement)
• Groupes d’oiseaux les plus anciens, et pourtant pas de
chromosomes sexuels différenciés…
42
Qu’apporte la comparaison des XY humains avec
ceux d’autres mammifères?
Comparaison des chromosomes
X et Y chez l’Homme et le Chat
1999: on retrouve les
mêmes gènes, mais pas
dans la même
succession linéaire
2006: il y aurait 4 gènes
sur le Y félin, qui n’ont
pas d’homologues sur le
Y humain
MURPHY et al., PLoS Genetics,
2006, 2, 353-363
2008: il y aurait au moins
4 copies fonctionnelles
de Sry chez le chat!
PEARKS WILKERSON et al.
Genomics , 2008, 92, 329–338
43
Comparaison des chromosomes Y de l’homme et du
chimpanzé: organisations très différentes
JF Hughes et al. Nature 000, 1-4 (2010) doi:10.1038/nature08700
Exemple de
USP9Y:
indispensable à la
spermatogenèse
humaine.
Certains gènes
pourraient être
essentiels à
certains primates
mais pas à tous.
Rôle dans la
spéciation??
REMARQUE: Comparaisons homme – gorille (GOTO et al., J Mol Evol, 2009, 68,
134-144):
AMELY, CYorf15A, CYorf15B, DDX3Y, EIF1AY, JARID1D, NLGN4Y, PRKY, RPS4Y1,
RPS4Y2, TBL1Y, TMSB4Y, USP9Y, et UTY: gènes conservés entre gorilles et homme.
En rouge: gènes perdus sur le Y des chimpanzés
SRY et ZFY sont aussi conservés.
Souligné: gènes présents sur le Y du chat domestique
Comment tester? Et chez les plantae?
•
•
Vyskot et
Hobza, 2004
Plantes
dioeïques
En vert: régions recombinantes
En jaune: régions où il n’y a plus
de recombinaisons
a)
b)
c)
d)
Cornichon d’âne
Papaye
Silène
Oseille
45
Vers un « cycle biologique » du chromosome Y?
•
Convergence remarquable de la structure
des chromosomes sexuels chez les animaux
–
–
•
L’histoire d’un chromosome Y typique (et W?)
–
–
–
–
–
–
•
•
•
GRAVES, Cell, 2006, 124, 901-914
Régions non recombinantes de grande taille sur le Y
(et le W, semble-t-il)
Strates évolutives discrètes sur le X (et le Z semble-t-il)
Acquisition d’un « locus SD »
Répression des recombinaisons
Émergence d’une région Y spécifique et d’une région X
spécifique
Puis réarrangements, conversion génique,
duplications…
Dégénérescence rapide de la région Y spécifique
Accumulation de séquences répétées non codantes
(rétroposons…), expansion de l’hétérochromatine…
Pour Graves: la disparition de l’Y est
inéluctable, not just a prophecy, but an
observation
Pour STEINEMANN (2005):Y is born to be
destroyed
Si un autre gène « SD » prend le relai, tout
ira bien…
Le daim noir chinois sera-t-il un bon
organisme pour tester le modèle de
l’évolution des néo-chromosomes sexuels
chez les mammifères?
Par l’étude des « extrémistes ».
Des rongeurs mâles et femelles XO!
-Pas de chromosome Y
-Pas de gène Sry
-Et pourtant il y a des mâles et des
femelles?
Le tunnelier du Caucase
(Ellobius lutescens), 2n=17
Black muntjac (Muntiacus
crinifrons)
♂
http://www.kans
hin.com/
http://scenery.cultural-china.com/
Par l’étude de la formation de
néo-chromosomes.
http://www.kqed.org/
Comment tester ce modèle de « cycle
biologique » du chromosome Y
♀
Ryukyu Spiny Rat
(Tokudaia osimensis),
2n = 25
Une autre variété:
Tokudaia
tokunoshimensis, 2n =
45
47
ZHOU et al., Genome Biology, 2008, 9, R98
KUROIWA et al., Chromosoma, 2010, 119, 519-526
V. Conclusions
• La détermination du sexe est parmi le
moins conservé des processus
développementaux!
– L’évolution indépendante des chromosomes
sexuels est observée à de nombreuses reprises
au cours de l’histoire du vivant
– Elle montre une tendance remarquable vers
un même type d’organisation génomique de
ces chromosomes chez des organismes
modèles très éloignés (homme, medaka,
silène…) et l’emploi de gènes homologues
48