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Université Paris-Sud XI U.F.R. Scientifique d’Orsay Thèse Présentée pour l’obte

Université Paris-Sud XI U.F.R. Scientifique d’Orsay Thèse Présentée pour l’obtention du grade de Docteur en Sciences de l’Université Paris-Sud XI Spécialité : Sciences du Végétal par Jan Drouaud Etude de la distribution des évènements de recombinaison méiotique chez Arabidopsis thaliana Soutenue le 29 juin 2010 devant la commission d’examen : Dominique de Vienne Président Anne-Marie Chèvre Rapporteur Bernard de Massy Rapporteur Denise Zickler Examinateur Thierry Langin Examinateur Christine Mézard Directrice de Thèse Remerciements Je tiens à remercier en premier lieu ma directrice de thèse, Christine Mézard, pour m’avoir accueilli dans son équipe et proposé de relever des défis scientifiques et techniques palpitants, mais aussi pour ses qualités humaines remarquables. Je souhaite également exprimer toute ma gratitude envers les membres du jury d’évaluation de mon travail de thèse : Dominique de Vienne, Anne-Marie Chèvre, Bernard de Massy, Denise Zickler et Thierry Langin. Je voudrais ensuite témoigner ma reconnaissance à Philippe Guerche et à Georges Pelletier, qui m’ont soutenu sans conditions depuis de nombreuses années dans mon effort d’amélioration de mes compétences et connaissances. Je remercie bien sur mes collègues d’équipe, Laurène Giraut et Hossein Khademian, pour leur contribution très efficace à l’avancement de nos projets de recherche. Naturellement, je remercie chaleureusement Raphaël Mercier, Mathilde Grelon, Fabien Nogué, Eric Jenczewski, Christine Horlow et tous les autres membres du groupe « Méiose et Recombinaison » (Anouchka, Arnaud, Aurélie, Cécile, Daniel, Florence, Ghislaine, Laurence, Laurie, Marta, Nathalie, Nicolas, Nicole, Pierre, Sylvia, Sylvie, Wayne), pour les nombreuses conversations très sympathiques et enrichissantes qui font de notre petite communauté un monde un peu à part. Je suis plus généralement redevable à tous les habitants de la SGAP, pour leur gentillesse, leur disponibilité, et leur compétence, toutes qualités qui ont grandement facilité ma tâche. Abréviations ADN : acide désoxyribonucléique. CDB : cassure(s) double brin. CO : crossover(s). CS : complexe synaptonémal. dJH : jonction de Holliday double. DL : déséquilibre de liaison. HDBS : hybridation de brin dépendante de la synthèse. INDEL : insertion ou délétion. NCO : non-crossover(s). NRP : nodule(s) de recomninaison précoce(s). NRT : nodule(s) de recombinaison tardif(s). PC : point(s) chaud(s). PCH : point(s) chaud(s) historique(s). PCR : réaction polymérasique en chaîne. RCDB : réparation des CDB. sJH : jonction de Holliday simple. SNP : polymorphisme de substitution nucléotidique. Liste des tables et figures Table 1. Relation entre longueur du complexe synaptonémal et nombre de crossings-over. ........ 29 Table 2. Relation entre longueur des axes et nombre de nodules de recombinaison précoces. .... 30 Table 3. Liste des points chauds de CO étudiés par typage de sperme chez les mammifères. ...... 46 Table 4. Liste des points chauds de CO et NCO étudiés par typage de sperme chez les mammifères. ............................................................................................................................................... 48 Table 5. Distributions du nombre de crossovers par chromatide et du nombre de chiasmas par bivalent dans les méioses mâle et femelle chez Arabidopsis thaliana.................................................... 64 Table 6. Distributions observée et attendue du nombre de chiasmas non-obligatoires par bivalent dans les méioses mâle et femelle chez Arabidopsis thaliana................................................................... 64 Figure 1. Cycle de développement des eucaryotes.................................................................................. 8 Figure 2. Chiasmas....................................................................................................................................... 9 Figure 3. Ségrégation chromosomique en mitose et en méiose.......................................................... 10 Figure 4. Formation des éléments axiaux............................................................................................... 11 Figure 5. Bouquets..................................................................................................................................... 11 Figure 6. Structure du complexe synaptonémal (I)...............................................................................12 Figure 7. Structure du complexe synaptonémal (II). ............................................................................ 12 Figure 8. Nodules de recombinaison précoces et initiation du synapsis. .......................................... 13 Figure 9. Localisation de la protéine RPA.............................................................................................. 14 Figure 10. Evolution de la composition des nodules de recombinaison........................................... 15 Figure 11. Nodules de recombinaison tardifs........................................................................................ 17 Figure 12. Chiasma et foci MLH1........................................................................................................... 17 Figure 13. Modèle de la double jonction de Holliday, de Szostak et al .............................................. 18 Figure 14. De la formation de la cassure double-brin à l’invasion de brin........................................ 20 Figure 15. Voies de recombinaison homologue méiotique ................................................................. 24 Figure 16. Le nombre de chiasmas par méiose n’est pas aléatoire. .................................................... 27 Figure 17.Relation entre taille physique des bivalents et nombre de crossings-over....................... 28 Figure 18. Fusion chromosomique et interférence des crossings-over chez C. elegans.................... 35 Figure 19. Foci MLH1 au stade pachytène. ........................................................................................... 36 Figure 20. Relation entre les distributions de nombre et de position des crossings-over sur les bivalents....................................................................................................................................................... 37 Figure 21. Le biais de transmission allélique du à la conversion génique.......................................... 40 Figure 22. Distribution des CO dans la région a1-yz1 chez le maïs.................................................... 49 Sommaire 1 Introduction......................................................................................................................................... 8 1.1 Préambule ................................................................................................................................... 8 1.2 Cytologie et biologie moléculaire de la méiose...................................................................... 9 1.2.1 Description cytologique de la première division de méiose............................................ 9 1.2.1.1 La prophase.................................................................................................................10 1.2.1.1.1 La formation des axes chromosomiques...........................................................10 1.2.1.1.2 L’alignement présynaptique des homologues...................................................11 1.2.1.1.3 La mise en place du complexe synaptonémal...................................................12 1.2.1.1.3.1 Les sites d’initiation du synapsis.................................................................12 1.2.1.1.3.2 La relation entre l’initiation du synapsis et l’initiation de la recombinaison homologue ................................................................................................13 1.2.1.1.3.3 Les nodules de recombinaison précoces ...................................................14 1.2.1.1.3.4 Les constituants du complexe synaptonémal............................................14 1.2.1.1.3.4.1 Les protéines des éléments latéraux ...................................................14 1.2.1.1.3.4.2 Les protéines de la zone centrale et les facteurs d’initiation du synapsis 15 1.2.1.1.3.5 Les entremêlements de bivalents................................................................16 1.2.1.1.4 Pachytène...............................................................................................................16 1.2.1.1.5 Diplotène et diacinèse..........................................................................................17 1.2.1.2 Métaphase, anaphase et télophase ...........................................................................18 1.2.2 Description moléculaire de la recombinaison méiotique ..............................................18 1.2.2.1 Formation des cassures double-brin .......................................................................19 1.2.2.2 Maturation des CDB..................................................................................................19 1.2.2.3 Invasion de brin..........................................................................................................20 1.2.2.4 Le biais inter-homologues.........................................................................................21 1.2.2.5 Les voies de recombinaison homologue.................................................................23 1.2.2.5.1 Les crossovers de type I ......................................................................................24 1.2.2.5.2 Les crossovers de type II.....................................................................................25 1.2.2.5.3 Les non-crossovers...............................................................................................26 1.2.2.5.4 Les intermédiaires de recombinaison aberrants...............................................26 1.2.2.6 La résolution des intermédiaires de recombinaison..............................................26 1.3 Le nombre et la distribution des évènements de recombinaison méiotique...................27 1.3.1 Le nombre de crossings-over ............................................................................................27 1.3.1.1 La détermination du nombre de crossings-over....................................................27 1.3.1.2 La détermination du nombre d’intermédiaires de recombinaison......................29 1.3.2 L’interférence des crossings-over......................................................................................29 1.3.2.1 L’interférence génétique............................................................................................29 1.3.2.2 L’interférence cytologique.........................................................................................32 1.3.2.3 Les variations de l’intensité de l’interférence .........................................................34 1.3.2.3.1 Y a-t-il une métrique descriptive de l’interférence ?........................................34 1.3.2.3.2 Les modèles biologiques de l’interférence ........................................................35 1.3.3 La distribution des crossings-over....................................................................................36 1.3.3.1 Le déterminisme chromosomique de la localisation des crossings-over ...........36 1.3.3.2 Le déterminisme génomique de la distribution des crossings-over....................38 1.3.4 La distribution des cassures double-brin .........................................................................40 1.4 Les points chauds de recombinaison méiotique .................................................................41 1.4.1 Les points chauds de recombinaison méiotique chez les champignons .....................41 1.4.2 Les points chauds de recombinaison méiotique chez les animaux et les plantes ......44 1.4.2.1 L’identification des premiers points chauds de mammifères...............................44 1.4.2.2 Les points chauds de mammifères caractérisés par typage de sperme...............45 1.4.2.3 Les points chauds de plantes....................................................................................47 1.4.2.4 Le projet HapMap et les points chauds historiques chez l’homme....................49 1.4.2.5 Vers l’élucidation du déterminisme de localisation des points chauds de mammifères...................................................................................................................................50 2 Résultats .............................................................................................................................................53 2.1 Les voies des crossovers : la parole est aux plantes............................................................53 2.2 Distributions de crossovers spécifiques du sexe et variations du niveau de l’interférence le long du chromosome 4 d’Arabidopsis thaliana................................................................................63 2.2.1 Synthèse de la publication..................................................................................................63 2.2.2 Résultats additionnels .........................................................................................................64 2.2.3 Publication............................................................................................................................64 2.3 Diversité des profils de crossover et de conversion génique à des points chauds méiotiques chez Arabidopsis thaliana....................................................................................................77 2.3.1 Synthèse de la publication..................................................................................................77 2.3.2 Publication............................................................................................................................78 3 Discussion et perspectives.............................................................................................................105 3.1 Hétérochiasmie et variations de longueur du complexe synaptonémal.........................105 3.2 Interférence et distribution des crossovers le long du chromosome 4..........................106 3.3 Variations de la coïncidence des crossovers et intensité de l’interférence le long du chromosome 4 .....................................................................................................................................106 3.4 Distribution atypique des crossovers au point chaud 130x.............................................108 3.5 Crossovers et non-crossovers au point chaud 130x dans le mutant Atmsh4 ................109 3.6 Bilan.........................................................................................................................................110 4 Matériels et méthodes.....................................................................................................................112 4.1 Characterization of meiotic crossovers in pollen from Arabidopsis thaliana...................112 5 Références bibliographiques..........................................................................................................146 6 Annexe..............................................................................................................................................176 6.1 La variation des taux de crossing-over le long du chromosome 4 d’Arabidopsis thaliana révèle la présence de « points chauds » de recombinaison méiotique .........................................176 Figure 1. Cycle de développement des eucaryotes. Les eucaryotes se reproduisant par voie sexuée ont un cycle de développement caractérisé par une alternance de phases haploïde et diploïde. Des cellules diploïdes différentiées accomplissent la méiose en subissant deux ségrégations chromosomiques à l’issue d’une seule phase de réplication de l’ADN. Les cellules haploïdes résultantes ne contiennent qu’un exemplaire de chaque chromosome. Elles se différentient en gamètes directement, ou après une phase de multiplication par division mitotique. Deux gamètes de types sexuels différents (rouge ou bleu) fusionnent pour former le zygote diploïde, qui peut entamer un série de divisions mitotiques, ou bien entreprendre la méiose directement. (Kohli et Hartsuiker 2008). 1 Introduction 1.1 Préambule Méiose et fécondation sont le Yin et le Yang du cycle de développement des organismes eucaryotes. La fécondation, ou syngamie, consiste en la fusion de deux cellules dites gamétiques. Chez les plantes et les animaux, ces cellules sont différentiées morphologiquement en deux types parentaux, mâle et femelle. Mais chez de nombreux protistes et champignons cette anisogamie n’existe pas et le nombre de types sexuels peut dépasser deux. D’une manière générale, les cellules réalisant la syngamie possèdent un seul exemplaire de chaque chromosome : elles sont haploïdes 1. Lors de la fécondation, les noyaux des deux cellules parentales fusionnent, de sorte que les cellules qui en sont issues sont diploïdes. La méiose est un processus symétrique de la syngamie en ce qu’elle réduit la ploïdie : elle restore l’haploïdie (figure 1). uploads/Geographie/ final-22.pdf