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