Caractérisation fonctionnelle de facteurs impliqués dans l’interférence génétique – CO-PATT
Le projet CO-PATT combine des approches de génétique, de criblage génétique à haut débit, de génomique, de biologie moléculaire, de cytologie et de modélisation dans trois organismes modèles : le champignon S. macrospora (partenaire 1), la plante A. thaliana (partenaire 2) et S. cerevisiae (partenaire 3) avec des synergies manifestes. (i) S. macrospora et A. thaliana constituent des systèmes puissants pour visualiser et disséquer la dynamique des chromosomes dans les types sauvages et les mutants car, contrairement à S. cerevisiae et aux mammifères, la méiose se poursuit jusqu'à son terme même en présence de défauts d'appariement ou de recombinaison, ce qui facilite l'analyse complète en plusieurs étapes des défauts des mutants. De plus, des techniques permettant d'analyser quantitativement la configuration du CO et les longueurs des axes chromosomiques pour chaque chromosome dans des cellules uniques sont disponibles à la fois chez Sordaria et Arabidopsis (utilisées depuis longtemps chez S. macrospora par le partenaire 1 ou récemment développées par le partenaire 2 chez A. thaliana). (ii) A. thaliana et S. cerevisiae présentent des outils génétiques uniques et puissants ainsi qu'une génomique de pointe. (iii) Les trois organismes permettent la modélisation par le partenaire 4 des effets de l’interférence. (iv) La méthode à haut débit mise au point par le partenaire 3 pour mesurer les taux de recombinaison et l'interférence des COs dans S. cerevisiae offre une occasion unique de mettre en place un crible génétique suffisamment sensible pour détecter les petits défauts d'interférence, ce qui ne serait pas possible dans A. thaliana et S. macrospora. Inversement, les nouveaux composants de la voie SUMO/STUbL issus du crible du partenaire 3 seront analysés plus en détail par les outils cytologiques plus puissants des partenaires 1 et 2.
En s’appuyant sur ces résultats préliminaires robustes, le projet CO-PATT combine des approches multidisciplinaires, maîtrisées dans nos laboratoires et comporte trois objectifs :
(1) Une caractérisation précise de cette voie chez S. macrospora et Arabidopsis thaliana en utilisant les approches très performantes d’imagerie sur cellule unique offertes par ces deux systèmes modèles. Ces approches permettront d’explorer la conservation évolutive de cette voie et des mécanismes associés.
(2) Une caractérisation fonctionnelle de nouveaux acteurs impliqués dans la mise en place de l’interférence ou de sa régulation. Nous allons tirer parti de la complémentarité de nos trois systèmes : S. cerevisiae (crible génétique haut-débit et étude moléculaire de la recombinaison), S. macrosopora et A. thaliana (approches génétiques et cytologiques).
(3) Une étude du rôle de l’axe du chromosome et du CS dans la transmission du signal de l’interférence. Nous combinerons les données du nombre et de la localisation des COs dans les divers contextes mutants avec des approches de modélisation afin de tester la propagation du signal d’interférence en présence et en absence de CS complet (défaut d’appariement).
Les crossing-overs méiotiques sont essentiels à la fertilité, permettant une ségrégation correcte des chromosomes homologues etun des moteurs de l'évolution des génomes en conduisant à de nouvelles combinaisons alléliques qui peuvent porter des caractères avantageux. Notre projet vise à la caractérisation fonctionnelle du mécanisme moléculaire sous-jacent qui régit le nombre et la distribution des COs et aura une implication claire pour la sélection végétale. En effet, les sélectionneurs de plantes cherchent à créer de nouvelles variétés qui surpassent les parents en combinant leurs caractéristiques avantageuses. Cependant, le fait que le nombre de CO (faible nombre par méiose) et leur localisation (existence de régions hypo-recombinogènes entrecoupées de régions hyper-recombinogènes et le phénomène d'interférence des COs qui défavorise la formation de CO proches) soient strictement contrôlés peut contrecarrer les efforts des sélectionneurs pour construire les combinaisons d'allèles souhaitées. Par conséquent, la caractérisation des acteurs clés et des mécanismes impliqués dans la régulation de la formation des COs a le potentiel d'exploiter la partie de la diversité génétique qui reste inaccessible aux sélectionneurs et de contribuer à accélérer les gains génétiques et la génération de nouvelles variétés. Les technologies visant à contrôler la formation des CO sont actuellement peu nombreuses. Cependant, avec la nécessité d'augmenter la production agricole pour répondre à l'augmentation de la population et contrer l'impact du réchauffement climatique sur la productivité des cultures, les défis économiques et sociétaux sont importants.
Revues à comité de lecture :
C. Girard , K. Budin , S. Boisnard , L. Zhang , R. Debuchy , D. Zickler , E. Espagne . RNAi-Related Dicer and Argonaute Proteins Play Critical Roles for Meiocyte Formation, Chromosome-Axes Lengths and Crossover Patterning in the Fungus Sordaria macrospora. Front Cell Dev Biol. 2021 Jun 28;9:684108.
Communications (conférence) :
1. Determinants of meiotic crossover number and distribution: a role for RNAi factors in Sordaria macrospora. Stéphanie Boisnard, Karine Budin, Robert Debuchy, Eric Espagne, Liangran Zhang, Denise Zickler, and Chloe Girard (Talks)
2. SCEP1 and SCEP2 are two novel components of the Syntonemal Complex in Arabidopsis thaliana.Nathalie Vrielynck, Marion Peuch, Aurélie Chambon, Raphaël Guerois*, Mathilde Grelon and Christine Mézard Gordon Research Conference on meiosis. Colby Sawyer College. June 5 - 10, 2022 (Poster)
La recombinaison homologue est un mécanisme universel impliqué dans la stabilité des génomes (réparation) et dans leur évolution (brassage intra-chromosomique). En méiose, elle permet la formation de crossing-overs (COs) essentiels à la ségrégation correcte des chromosomes homologues. Toute altération dans la formation ou la régulation des COs conduit à des défauts de fertilité ou à la formation de gamètes aneuploïdes. La recombinaison méiotique débute par la formation de cassures double brin de l’ADN (CDB) programmées tout le long du génome et leur réparation correcte est indispensable à l’appariement des chromosomes homologues ainsi qu’à la mise en place de la structure d’appariement, le complexe synaptonémal (CS). La réparation des CDBs en CO et non crossing-over (NCO) se fait préférentiellement en utilisant comme modèle le chromosome homologue.
Le processus de recombinaison est donc une étape clé de la méiose qui doit être très fortement régulée. En particulier, le choix entre NCO et CO est crucial pour assurer la présence d’au moins un CO par paire d’homologues quelle que soit la taille des chromosomes. De plus, les COs sont espacés de façon régulière le long des chromosomes par le phénomène d’interférence : la désignation d’un CO à une position donnée diminue la probabilité d’avoir un autre CO à proximité. Le nombre de COs par paire d’homologues dépend donc de la force de l’interférence.
Bien que le phénomène d’interférence ait été décrit pour la première fois en 1916, les mécanismes et les molécules impliquées ne sont toujours pas identifiés. Des approches génétiques et moléculaires ont permis d’identifier une voie de modulation partielle de l’interférence chez Saccharomyces cerevisiae qui implique la modification post-traductionnelle de deux protéines de l’axe chromosomique. Nos résultats préliminaires ont montré que cette voie était conservée chez Sordaria macrospora et que l’absence de trois acteurs de cette voie augmentait le nombre et modifiait la répartition des COs. Ces modifications sont associées à une modulation de la taille de l’axe des chromosomes.
En s’appuyant sur ces résultats préliminaires robustes, le projet CO-PATT combine des approches multidisciplinaires, maîtrisées dans nos laboratoires et comporte trois objectifs :
(1) Une caractérisation précise de cette voie chez S. macrospora et Arabidopsis thaliana en utilisant les approches très performantes d’imagerie sur cellule unique offertes par ces deux systèmes modèles. Ces approches permettront d’explorer la conservation évolutive de cette voie et des mécanismes associés.
(2) Une caractérisation fonctionnelle de nouveaux acteurs impliqués dans la mise en place de l’interférence ou de sa régulation. Nous allons tirer parti de la complémentarité de nos trois systèmes : S. cerevisiae (crible génétique haut-débit et étude moléculaire de la recombinaison), S. macrosopora et A. thaliana (approches génétiques et cytologiques).
(3) Une étude du rôle de l’axe du chromosome et du CS dans la transmission du signal de l’interférence. Nous combinerons les données du nombre et de la localisation des COs dans les divers contextes mutants avec des approches de modélisation afin de tester la propagation du signal d’interférence en présence et en absence de CS complet (défaut d’appariement).
Le Projet CO-PATT devrait permettre de mieux comprendre les contraintes imposées par l’interférence dans la distribution des COs à l'échelle du chromosome et du génome. Les résultats de ce projet intéresseront la communauté scientifique étudiant la fertilité humaine ainsi que celle impliquée dans les programmes d’amélioration des plantes. Mieux maîtriser le nombre et la répartition des COs permettra par exemple : (i) l’obtention de gamètes hyper- ou hypo-recombinants plus adaptables aux environnements changeants, (ii) diminuer la taille des populations de sélection et (iii) réduire la taille des segments chromosomiques introduits dans les variétés élites.
Coordination du projet
Eric Espagne (Institut de Biologie Intégrative de la Cellule)
L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.
Partenaire
IJPB INRAE Institut Jean-Pierre BOURGIN
I2BC Institut de Biologie Intégrative de la Cellule
GQE Génétique quantitative et Evolution - Le Moulon
IPS2 Institut des Sciences des Plantes de Paris Saclay
Aide de l'ANR 582 008 euros
Début et durée du projet scientifique :
December 2020
- 48 Mois
