FANCM et ses cofacteurs MHF1-MHF2, ainsi que FIDGETIN-Like-1 limitent la formation des

296 Pages·2017·50.87 MB·French

by  Chloé Girard

Thèse de doctorat de
l’Université Paris Sud
Institut Jean-Pierre Bourgin
INRA de Versailles
Ecole Doctorale Sciences du Végétal
Discipline : BIOLOGIE
Pour obtenir le grade de Docteur de l’Université Paris Sud
FANCM et ses cofacteurs MHF1-MHF2,
ainsi que FIDGETIN-Like-1
limitent la formation des crossovers
méiotiques chez Arabidopsis thaliana
Par : Chloé GIRARD
Membres du jury:
Rapporteur : Dr. Valérie Borde, DR Institut Curie Paris
Rapporteur : Dr. Bernard de Massy, DR IGH Montpellier
Examinateur : Dr. Olivier Hamant, DR INRA ENS de Lyon
Examinateur : Pr. Jacqui Shykoff, DR CNRS U-PSud Paris
Examinateur : Dr. Denise Zickler, DR CNRS U-PSud Paris
Directeur de thèse : Dr. Raphaël Mercier, DR INRA Versailles
Date de soutenance : 03 Octobre 2014

If science teaches us anything,
it teaches to accept our successes as well as our failures,
with quiet grace and dignity
Gene Wilder
5
Table des matières
1 Contexte et objectifs des travaux de thèse 1
1.1 Objectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Un peu d’histoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Pourquoi faire du sexe et de la recombinaison? . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.1 Les coûts de la reproduction sexuée sont importants . . . . . . . . . 5
1.3.2 Le sexe et la recombinaison procurent un avantage sélectif dans un
environnement changeant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
I Introduction 8
1 Description cytologique de la méiose 9
1.1 La méiose : réduction de la ploïdie et recombinaison . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.1 Première division réductionnelle, seconde division équationnelle . . 11
1.1.2 Importance de la recombinaison pour la fertilité . . . . . . . . . . . 11
1.2 La prophase de méiose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.1 Mise en place des axes chromosomiques . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2.2 Formation du bouquet et alignement pré-synaptique . . . . . . . . . 17
1.2.3 Mise en place du complexe synaptonémal . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.2.4 Recombinaison et cytologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.4.1 SC et recombinaison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.4.2 Progression de la prophase et de la recombinaison . . . . . 20
2 Description moléculaire de la recombinaison méiotique 24
2.1 Formation et maturation des cassures double brin . . . . . . . . . . . . . . 24
2.1.1 SPO11 et les protéines partenaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.1.2 Régulation de la formation des cassures double brin . . . . . . . . . 25
2.1.2.1 Modèle de formation des cassures double-brin . . . . . . . 25
2.1.2.2 Positions des cassures double-brin dans le génome . . . . . 27
2.1.2.3 Régulation du niveau de cassures double-brin . . . . . . . 28
2.1.3 Maturation des cassures doubles-brins . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2 L’invasion simple brin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
6
2.2.1 RAD51 et DMC1, deux recombinases . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.2 RAD51 indispensable à la réparation . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2.3 DMC1 et le biais inter-homologue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2.3.1 Modèles de chargement de DMC1 et RAD51 autour des
cassures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2.4 Le biais par les protéines de l’axe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3 Les voies de formation des crossovers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3.1 Les protéines ZMM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3.2 La voie MUS81 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.3.3 Résolution des doubles-jonctions de Holliday et formation des CO
de voie I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.3.4 Dynamique de la recombinaison et formation des NCO . . . . . . . 47
2.3.5 Comment reconnaitre son chromosome homologue? . . . . . . . . . 49
2.3.6 Comment di�érencier son chromosome homologue de son homéo-
logue? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3 Régulation des événements de crossovers 52
3.1 Observations génétiques et cytologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.1.1 Le crossover obligatoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.1.2 Une limitation du nombre de CO par chromosome et par cellule . . 53
3.1.2.1 L’interférence : observations cytologiques et génétiques . . 55
3.2 L’interférence des crossovers : mesures et modèles . . . . . . . . . . . . . . 56
3.2.1 Comment mesurer l’interférence? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.2.2 Des mutants a�ectés dans l’interférence? . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.2.3 Comment est implémentée l’interférence? . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.2.4 Les modèles de l’interférence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.3 Des protéines anti-CO connues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.3.1 Des protéines anti-CO méiotiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.3.2 Quid des protéines anti-CO mitotiques? . . . . . . . . . . . . . . . 66
4 La voie Fanconi de réparation de l’ADN 69
4.1 L’anémie de Fanconi, une maladie humaine . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.2 Rôle somatique des protéines Fanconi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.2.1 Les protéines du complexe principal . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.2.1.1 FANCM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2.1.2 FAPP24, MHF1 et MHF2, des cofacteurs de FANCM . . . 74
4.2.2 Le complexe FA-ID, FAN1 et les partenaires en aval . . . . . . . . . 74
7
4.3 Indications pour de nombreux sous-complexes indépendants de la voie FA . 75
4.4 Implication des protéines Fanconi en méiose . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5 Les AAA-ATPases 77
5.1 Qu’est-ce qu’une AAA-ATPase? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.1.1 Structure protéique des AAA-ATPases . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.1.2 Relation structure fonction des AAA-ATPases . . . . . . . . . . . . 79
5.1.3 Des substrats très variés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.2 Phylogénie des AAA-ATPases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.2.1 Le clade des AAA-ATPases dites "méiotiques" . . . . . . . . . . . . 82
5.2.1.1 Les protéines de désassemblage des microtubules . . . . . 82
5.2.1.2 Fidgetin, une protéine aux multiples fonctions . . . . . . . 83
5.2.2 Pch2, une protéine du groupe BSC1 impliquée en méiose . . . . . . 87
II Résultats 89
1 FANCM, un régulateur majeur de la formation des crossovers méio-
tiques 92
1.1 Introduction et Résumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
1.2 Article 1 : FANCM limits meiotic crossovers . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
2 Implication de la voie Fanconi dans le contrôle de la formation des cros-
sovers méiotiques 117
2.1 Introduction et Résumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
2.2 Article2:FANCM-associatedproteinsMHF1andMHF2,butnottheother
Fanconi anemia factors, limit meiotic crossovers . . . . . . . . . . . . . . . 118
3 FIGL1 limite la formation des crossovers 153
3.1 Introduction et Résumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
3.2 Article 3 : Meiotic non-interfering crossovers are limited at two di�erent
steps : one depends on FIDGETIN-LIKE 1, the other on FANCM . . . . . 155
3.3 Résultat supplémentaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
3.3.1 figl1 haploïde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
III Discussion et perspectives 198
1.2 La voie FA et la recombinaison méiotique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
1.2.1 MHF1, MHF2 et FANCM : trois protéines, une voie de régulation . 199
8
1.2.2 Un rôle pro CO des autres protéines fanconi? . . . . . . . . . . . . 200
1.2.3 FANCM, RTEL-1, SGS1 : dissociation des D-loop? . . . . . . . . . 200
1.2.4 E�et de fancm en fond hybride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
1.3 FIGL1 : une nouvelle protéine méiotique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
1.3.1 Qui est FIGL1? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
1.3.2 Ce que l’étude de figl1 nous apprend sur DMC1 et RAD51 . . . . . 204
1.3.3 Comment caractériser la fonction de FIGL1 . . . . . . . . . . . . . 205
1.3.4 La fonction de FIGL1 est-elle conservée? . . . . . . . . . . . . . . . 206
1.3.5 Le biais sur l’homologue ou le biais sur la sœur? . . . . . . . . . . . 208
1.4 D’autres cribles possibles? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
1.5 Pourquoi le nombre de crossovers serait-il limité? . . . . . . . . . . . . . . 210
Bibliographie 214
IV Annexe 251
Sommaire
9
Table des figures
1.1 La méiose : deux divisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2 Le chiasma est essentiel à la ségrégation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3 La prophase chez Arabidopsis thaliana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4 Réarrangement de la chromatine en prophase. . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.5 Mise en place du complexe synaptonémal chez Arabidopsis thaliana . . . . 19
1.6 Localisation de la protéine DMC1 comme un marqueur des DSB chez Ara-
bidopsis thaliana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.7 Immunolocalisation des protéines HEI10 et MLH1 chez Arabidopsis tha-
liana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1 L’intensité de formation des DSB n’est pas uniforme . . . . . . . . . . . . . 26
2.2 Formation des DSB et résection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3 Invasion simple brin et formation de la D-loop . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.4 Voies de formation des CO et NCO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.5 Formation et résolution des double-jonctions de Holliday . . . . . . . . . . 45
2.6 La formation des CO et des NCO est dynamique . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.1 Le nombre de CO est limité par chromosome . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.2 Relation entre taille des chromosomes et nombre de CO . . . . . . . . . . . 54
3.3 L’équation de Perkins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.4 Calculs de l’interférence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.1 La voie FA de réparation de l’ADN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.1 Motifs conservés des AAA-ATPases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.2 Les AAA-ATPases adoptent une conformation hexamèrique . . . . . . . . . 80
5.3 Phylogénie des AAA-ATPase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.4 La famille des protéines Katanin, Spastin et Fidgetin . . . . . . . . . . . . 84
5.5 Localisation des di�érentes protéines Fidgetin . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.1 Résultat supplémentaire : figl1 haploïde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
10
Liste des tableaux
2.1 Les mutants de l’invasion et du biais chez Arabidopsis . . . . . . . . . . . . 33
2.2 Les protéines de l’invasion simple brin et du biais inter-homologue . . . . . 35
2.3 Les protéines ZMM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.1 Les protéines de la voie Fanconi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
1 Bilan des cribles zmm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
11
Abbréviations
A
AAA : ATPase Associées à divers Activités cellulaires
ADN : Acide désoxyribonucléique
ADP : Adénosine diphosphate
AE : axial element, élément axial du SC
AFMF : association française de la maladie de Fanconi
ARN : Acide ribonucléique
ATP : Adénosine triphosphate
ATPase : enzyme capable d’hydrolyser l’ATP
C
CDK : cyclin dependent kinase, kinase dépendante de cycline
CE : central element, élément central du SC
cM : centiMorgan
CO : crossover
CoC : coe�cient of coincidence, coe�cient de coïncidence
D
Da : Dalton
DAPI : 4’,6’-diamidino-2-phénylindole, colorant de l’ADN
dHj : double Holliday junction, double-jonction de Holliday
DSB : double strand break, cassures double brin
F
FA : Fanconi Anemia, anémie de Fanconi
FRBD : FIGL1’s RAD51 binding domain, domaine de FIGL1 d’interaction avec RAD51
G
GC : gene conversion, conversion génique
GTP : guanosine triphosphate
H
H3K4me : méthylation de la lysine (K) 4 de l’histone (H) 3
hDNA : hétéroduplexe d’ADN présentant du polymorphisme
Hj : Holliday junction, simple jonction de Holliday
HR : homologous recombination, recombinaison homologue
12