Peuvent être considérés comme des éléments génétiques "égoïstes" voire "infectieux", qui se propagent au sein du système génétique d'un ou plusieurs organismes hôtes (parfois à leur détriment, d'où le développement de systèmes de "défense", mais parfois aussi en conférant des avantages à ces organismes)

Trois types : tranposons, plasmides et virus (1)

4. Les éléments génétiques mobiles

4.1 Généralités

Enorme diversité (chez procaryotes et eucaryotes), grand succès évolutif

(1) Certains virus peuvent être considérés comme des formes "avancées" de transposons voire de plasmides, capables de se propager d'une cellule à l'autre grâce à leur empaquetage préalabe dans un manteau (capside) de protéines. Il existe une autre forme de propagation des plasmides et transposons, la conjugaison (cf. 4.2.5).

4.2. Les plasmides

4.2.1 Définition

- réplicon (séquence ori )

- plus petite taille que le chromosome de la bactérie

- non essentiel à la viabilité de la bactérie …

- .. mais porte en général des gènes d'adaptation à certains milieux :

- en général circulaire, parfois linéaire

Plasmide purifié photographié au microscope électronique

4.2.2 Diversité

- grande diversité de tailles

- en général négativement torsadé (negative super-coiled) par DNA gyrase

- selon le plasmide, une à qqes cent. copies par cellule

Torsade – ou + selon que soit

imposé:< 10 pb / tour : -> 10 pb / tour : +

- souvent > 1 type de plasmide dans une cellule (mais groupes d'incompatibilité)

4.2.3 Réplication

3 modes de réplication : - theta (q) unidirectionnelle- theta (q) bidirectionnelle- "en cerceau" (rolling circle)

Catalysé par le réplisome bactérien + ³ 1 protéine codée par l’ADN plasmidique

Spectre d'hôte : très limité à très large

ADN : 10 pb / tour

- surtout chez bactéries, rare chez archées et eucaryotes

réplication theta (q) unidirectionnelle

réplication theta (q) bidirectionnelle

3'

5' 3'

plasmides séparés par l’ADN topoisomérase II

réplication à partir de la séquence "ori"

réplication en cerceau

3'

amorce ARN

Rep

coupuresimple-brinau niveau de

séquence oriT

ADN pol III

coupuresimple-brin et ligature

ADN pol III

Rep = relaxasecodée par un gène du

plasmide

4.2.4 Maintien

(a) système de répartition entre cellules filles ("partitionning")

par - séquence parS- gènes parA, parB

sont nécessaires à cette répartition

Modèle actuel :

1. Les protéines parB (en jaune) se lient à la séquence parS (en rouge) et interagissent entre elles

2. La protéine parA liée à l’ATP (en bleu) s'intercale entre les protéines parB

3. D’autres protéines parA se lient, ce qui produit un filament qui écarte les deux plasmides

4. Au moment de la division cellulaire, le filament est rompu et se dépolymérise

(b) système poison-antidote

poisonantidote

cellule "tuée" par le poison

- les protéines poison et antidote sont codées par le même opéron porté par le plasmide - la protéine poison inhibe une activité essentielle de la bactérie (synthèse des protéines, potentiel de membrane, ADN gyrase, ..) - la protéine poison est inhibée par la protéine antidote- la protéine antidote est moins stable que la protéine poison

4.2.5 Propagation (par conjugaison)

- Majorité des plasmides sont :

- soit auto-transmissibles : disposent de l’ensemble des gènes tra nécessaires à laconjugaison

- soit mobilisables : dépendent de gènes tra apportés par un autre plasmide pour êtretransférés par conjugaison

- Nombreux gènes impliqués (gènes tra portés par le plasmide)

- Egalement entre bactéries et eucaryotes (ex. région T du plasmide Ti des souches virulentes de Agrobacterium tumefaciens)

F_

F + F +

F +

- Importance dans la transmission horizontale de gènes de résistance aux antibiotiques (y compris entre espèces différentes !)

1.

2. 3.

1. Un pilus 1 d’une bactérie F+ adhère à la surface d’une bactérie F-

2. Le pilus se rétracte et provoque le rapprochement des deux bactéries …

3. .. qui finissent par adhérer l’une à l’autre. La réplication en cerceau du plasmide débute et le complexe relaxase-plasmide simple-brin est transféré dans la bactérie F- où le brin complémentaire est synthétisé

1 filament formé à partir d’une protéine, la piline

Mécanisme de transfert du complexe relaxase-plasmide simple-brin ?

- De nombreuses bactéries disposent d’un "système de sécrétion" : complexe de protéines formant un conduit traversant les enveloppes cellulaires et capable d’excréter des protéines (ex. toxines vers une cellule infectée)

- Les plasmides ont "récupéré" les gènes codant pour ces systèmes de sécrétion et ces gènes ont évolué vers la mise en place d'un complexe qui a la particularité de former un filament de piline (pilus) adhésif et d’incorporer une protéine "de couplage" (parD) capable de se lier à la relaxase

- Une fois le pilus rétracté, la relaxase liée de façon covalente au plasmide simple-brin se lie à la protéine parD (complexe hexamérique) et est transférée dans la bactérie F- (couplé à l’hydrolyse d’ATP), probablement via le canal central du pilus.

filament de piline (tarA)

membrane externe

espace périplasmique(avec paroi de muréine)

membrane plasmique

protéine de couplage

protéine de sommet

4.3. Les transposons *

- séquences d'ADN particulières, présentes dans tous les génomes, qui peuvent se déplacer d'un endroit à un autre d'un génome

- deux grands modes de transposition :

transposition réplicative(copy-and-paste)

transposition conservative(cut-and-paste)

* : éléments transposables

4.3.1. Définition

réplication

transposition « cut-and-paste »

La transposition conservative couplée à la réplication peut conduire à la duplication du transposon

- certains transposons sont aussi capables de se propager d'une cellule à une autre, soit par conjugaison (transposons conjugatifs ou mobilisables), soit à la manière des virus (emballage dans une capside de protéines)

- grande diversité de transposons du point de vue :

- du mécanisme de transposition - de la sélectivité des sites de transposition - de la taille : de qqes centaines de pb à qqes dizaines de milliers de pb - du contenu en gènes

- contribution importante à l'évolution des génomes (acquisition de nouveaux gènes issus de transposons, réarrangements du génome, ..)

!! En particulier, la duplication des gènes (un “moteur” important de l’évolution) est favorisée par les transposons !! (cf. plus loin)

- des transposons se transposent souvent dans d’autres éléments génétiques mobiles (par ex. des plasmides)

4.3.2. Les transposons bactériens

Les plus simples : les éléments IS (insertion sequence) :

séquences terminales inversement répétées

séquences directementrépétées (dupliquées)

tnp : transposaseinh : inhibiteur de la transposase

transposition

5’-----AGGTC----------AGGTC----3’3’-----TCCAG----------TCCAG----5’

5’-----AGGTC----------GACCT----3’3’-----TCCAG----------CTGGA----5’

Ex. de séquence directement répétée :

Ex. de séquence inversement répétée :

transposons composites

(gènes flanqués de deux IS, L et R, dont un est souvent dégénéré)

Ex. de transposons bactériens plus complexes : les transposons composites

Gènes de résistance à des antibiotiques : tet : tétracycline; str : streptomycine; ble : bléomycine ; bla : ampicilline ; nptl : kanamycine

tnp : transposase; tnpR : régulateur de la transposase

4.3.3. Un exemple de mécanisme de transposition de type "cut-and-paste"

5'----XXXXXX-----3'3'----YYYYYY-----5'

5'---- 5'XXXXXX-----3'3'----YYYYYY5' -----5'

coupure

5'---- -XXXXXX-----3'3'----YYYYYY- -----5'

ligature du transposon

5'----XXXXXX- -XXXXXX-----3'3'----YYYYYY- -YYYYYY-----5'

réplication, ligation

(= séq. inversement répétées)

répétition directe de la séquence

4.3.4. Les transposons chez les eucaryotes

a) Découverte de Barbara McClintock (1902-1992)

Ac : Ds :

Transposon codant une transposase Transposon de type Ac mais dégénéré et incapable de coder la transposase (mais peut

être transposé)

Ds : "dissociator" ou "mutator gene"

Ac : "activator" of Ds

L’excision du Ds se produit dans un petit nombre de cellules (phénomène rare) au cours du développement de la graine – celles-ci (et leur descendance) deviennent alors pigmentées et forment une plage colorée à la surface du grain.

b) Deux catégories de transposons chez les eucaryotes :

- DNA transposons : transposons proches des t. bactériens (ex. Ac/Ds du maïs)

- rétrotransposons = t. réplicatifs

ex. éléments Ty de la levure, Copia de la drosophile, THE1 de H.sapiens.…

Etapes de la rétrotransposition :

1. Transcription du rétrotransposon (grâce à un promoteur dans le LTR 5’)

2. Le transcrit primaire peut subir une maturation en ARNm qui sont traduits en protéines

3. La transcriptase inverse ainsi synthétisée (codée par le gène pol) copie un autre transcrit primaire en ADN complémentaire

4. L’intégrase (aussi codée par le gène pol ) insère la copie ADNc dans le génome

Ty1 (~ 6 kpb) :

LTR 5’ LTR 3’gag pol

LTR : long terminal repeat(séquences directement répétées)

Maturationen ARNm, traduction

soit

soit

Les rétrotransposons appartiennent à une classe plus vaste d’éléments génétiques mobiles appelés " rétroéléments " :

*

*

* Long / Short Interspersed Nuclear Elements

ex. séquence Alu

(env. 900.000 dans le génome de H.s.)

(env. 106 dans le génome de H.s.)

rétr

oélé

men

ts a

vec

LTRs

(d

e ty

pe r

étro

vira

l)ré

troé

lém

ents

san

s LT

Rs

ERV : endogenous retroviral elements

(4-8 % du génome de H.s.)

Transposition réplicative de LINE-1 : modèle

1) Une endonucléase codée par L1 clive un brin de l'ADN génomique (juste après une séquence polyT) -> brin 3’ flottant avec polyT terminal.

2) Une copie ARN de LINE-1 (par transcription) s'hybride via sa queue polyA au polyT "flottant" et fournit une matrice pour la synthèse (par la transcription inverse) d'un ADN complémentaire (cDNA) du L1 (vert) (3).

4) L'endonucléase L1 catalyse une 2de coupure, sur l’autre brin, légèrement décalée de la première.

5 & 6) Extension de l’extrémité 3’ du L1 en utilisant comme matrice la séquence monobrin (en bleu) produite par le 2de coupure

7) Le monobrin d’ARN (rouge) est remplacé par de l’ADN

Une courte séquence (le polyT et la séquence qui suit, en bleu) est maintenant dupliquée (répétition directe). Les deux copies encadrent le L1.

Type de répétition Sous-type Nombre de copies

Type et nombre estimé de transposons dans le génome humain :

La séquence de toute la grosse majorité de ces éléments a dégénéré, ils ne sont donc plustransposables. Les seuls encore fonctionnels sont certains SINEs (type Alu) et LINEs (type L1).Par ex. une petite centaine d’éléments LINE-1 sont toujours fonctionnels, leur transpositionoccasionnelle dans des gènes est à l'origine d'une soixantaine de maladies génétiques.

Ce ERV s'est propagé il y a moins d'un million d'années

(ERV = endogenous retrovirus)

rétroélements

Plus de 40% de l’ADN humain correspond à des rétroéléments :

Les ERVs (endogenenous retroviral elements) :

- plusieurs vagues d'infection / expansion durant l'évolution des primates - bien qu'inactifs auj., ces ERVs sont associés à certaines pathologies dont des cancers : certains contiennent des oncogènes, qui bien que silencieux peuvent être "réactivés" suite à des mutations, des recombinaisons génétiques, ...

4.5. Plasmides, virus, transposons : mutualisme, commensalisme, ou parasitisme ?

Rappel : trois types de relations inter-organismes en biologie :

Parasitisme : au bénéfice d’un des partenaires et au détriment de l’autreCommensalisme : au bénéfice d’un des partenaires mais sans affecter l’autreMutualisme (1) : au bénéfice des deux partenaires

Pour la plupart des virus ® parasitisme (mais degré variable de virulence)

Pour la plupart des plasmides ® parasitisme (charge pour la bactérie), mais aussi mutualisme (apport de gènes d’adaptation)

Pour les transposons ® plus controversé…

® peuvent inactiver des gènes (néfaste)® … ainsi, la plupart des espèces ont développé des systèmes de " défense "

capables de limiter la transposition ® mais apportent parfois des gènes d’adaptation au milieu ® de plus, ils contribuent aussi à la diversité génétique de l’espèce

(1) symbiose, dans la définition européenne – pour les anglo-saxons, le terme symbiose couvre les trois types de relations

Les événements de recombinaison homologue (cf. chap. II) au niveau de séquencesrépétées (ex. transposons, LINEs, SINEs) conduisent à des réarrangementschromosomiques: insertions, délétions, inversions, translocations, mais aussi desduplications en tandem ® favorise la dynamique et donc l'évolution des génomes

"crossing-over inégal" entre deux chromo-somes homologues :

conduit à la duplicationen tandem de gènes, un moteur important de

l'évolution

1, 2, 3, 4 : gènes successifs le long d’un chromosome

r.h. intrachromosique entre 2 séquences directementrépétées -> délétion

r.h. intrachromosique entre 2 séquences inversémentrépétées -> inversion

r.h. entre 2 chr. différents-> translocation réciproque

La plupart des espèces se défendent contre l’invasion des transposons …

- Ex. : vagues successives d'invasions rétrovirales chez les primates : pourquoi sont-ils dégénérés et silencieux auj. ?

Hypothèse : développement par l'hôte de mécanismes permettant d'éteindre l'expression de ces ERVs (idem pour rétrotransposons), lesquels tendent ensuite à dégénérer, par accumulation de mutations.

Travaux récents (2014) : famille de gènes KZNF (Krab zinc-finger), qui a connu une forte expansion chez les primates : codent pour des protéines qui se lient aux SINE, LINE, ERV .. et recrutent des facteurs qui répriment l'expression de ces rétroéléments. Mais certains éléments LINE-1 ont acquis secondairement des mutations empêchant une laison efficace de ces facteurs.

Tc1 : transposon de type IS, code pour une seule protéine, la transposase, qui se lie aux séquences terminales inversément répétées

- Ex. : le transposon Tc1/mariner du nématode Caenorhaditis elegans, mobile uniquement dans les cellules somatiques (pas dans les cell. germinales), sauf chez certains mutants (lignée "mutator") : pq ?

1. Transcription "au travers" des TC1, (présents par ex. dans des introns de gènes)

2. Formation d’ARN double-brin (par hybri-dation des zones TC1) qui migre vers le cyto-plasme

3. Clivage en "petits ARNs interférants" (siRNAs, 22-25 nt) par une RNAse (« Dicer »)

4. Le complexe RISC (RNA-induced silencingcomplex) s’associe aux siRNAs, et dégrade un des deux brins; le brin restant (ARN guide) permet à RISC de lier un ARNm complémentaire (et donc, ici, celui de la transposase), qui est alors clivé ® arrêt de synthèse de la transposase

Les cellules germinales du nématode C. elegans inhibent la transposition du

transposon Tc1/mariner

1

2

3

4

rem.: les souches « mutator » de C. elegans sont déficientes pour l’inhibition de la transposition; elles produisent des gamètes comportant un nombre anormalement élevé de mutations (par transposition du TC1).

- Le système enzymatique de l’ARN interférent (Dicer/Risc) existe dans la majorité des espèces eucaryotes (inhibition de transposons, rétrotransposons, de virus, ..)

- Chez les espèces eucaryotes supérieures, l'activité des enzymes Dicer/Risc a secondai-rement été "détournée" pour développer de nouveaux mécanismes de régulation négative agissant sur des ARNm et basés sur la synthèse de microARNs (miRNAs) (env. 800 chez H. sapiens )

http://nobelprize.org/

- Application de ces découvertes en recherche : un moyen expérimental simple pour empêcher la synthèse d’une protéine particulière dans une cellule est d’y injecter (ou d’y exprimer) un petit ARN double-brin (ARN interférent) dont un des brins est complémentaire de l’ARNm de cette protéine

- Andrew Fire et Craig Melo ont reçu le prix Nobel de médecine et physiologie en 2006 pour avoir découvert le principe du RNAi chez le nématode Caenorhabditis elegans

A propos de l’ARN interférent