Fonctions, diversité et évolution des petits ARN non-codants

Fonctions, diversité et évolution
des petits ARN non-codants
Vincent CASTRIC
2011
L’évolution des micro-ARN
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Généralités sur le contrôle de l’expression des gènes
Découverte du premier micro-ARN
Importance de ces microARN
Diversité de leurs modes d’action
Origine et biogenèse chez les plantes
Patrons d’évolution et de conservation
Un cas d’étude: dominance dans les systèmes d’auto-incompatibilité
« Une des découvertes scientifiques les plus
importantes de ces dernières années »
Régulation de l’expression:
différents niveaux
Le modèle classique de régulation de la transcription
Nestler & Hyman 2002
Le modèle classique de régulation de la transcription
Cellule A
Cellule B
- Présence du facteur de transcription … régulation du gène codant pour ce FT !
- Activation par signaux environnementaux (activation par la chaleur des Heat Shock TF)
- Signaux externes à la cellule : hormones stéroides (intracell.) ou peptidiques (à mb)
- Signaux externes à l’organisme
Diversité des FT:
- Protéines à doigts de Zinc
- Protéines Helix-Turn-helix
- Protéines leucine zipper
- Protéines helix-loop-helix
- récepteurs stéroides
Le modèle classique de régulation de la transcription
Intégration de plusieurs
facteurs sur une même cible
Nestler & Hyman 2002
Le modèle classique de régulation de la transcription
Intégration des signaux sur
des cibles différentes
Nestler & Hyman 2002
L’évolution des micro-ARN
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7.
Généralités sur le contrôle de l’expression des gènes
Découverte du premier micro-ARN
Importance de ces microARN
Diversité de leurs modes d’action
Origine et biogenèse chez les plantes
Patrons d’évolution et de conservation
Un cas d’étude: dominance dans les systèmes d’auto-incompatibilité
1993: découverte du premier microRNA
(Laboratoire de Victor Ambros)
Coenorhabditis elegans
(www.wormatlas.org)
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0,1mm
4 stades larvaires: L1 à L4
Ambros isole un mutant qui « réitère » le stade L1
Ce mutant présente une délétion du gène lin-4
Lorsqu’on insère dans un animal transgénique un fragment d’ADN contenant
le gène lin-4, on retrouve le phénotype normal
Curieusement lin-4 ne code pas pour une protéine mais un ARN de 22nt
D’après Gautheret IGM Orsay www2.lifl.fr/SEQUOIA/Arena/Presentations/Gautheret.ppt
Lin-4 et lin-14
• Ambros découvre que la répression a besoin de:
– Un lin-4 intact
– Une séquence intacte de l’UTR 3’ du gène protéique lin-14
Transcrit de lin 4
UTR 5’
stop
start
UTR 3’
ORF
Transcrit de lin-14
D’après Gautheret IGM Orsay www2.lifl.fr/SEQUOIA/Arena/Presentations/Gautheret.ppt
Répression par reconnaissance de
l’UTR 3’
• Plusieurs fragments de l’UTR 3’ de lin-14 sont complémentaires à
lin-4
• En mutant lin-4 ou l’UTR, on est capable d’abolir ou restaurer la
répression du gène lin-14
D’après Gautheret IGM Orsay www2.lifl.fr/SEQUOIA/Arena/Presentations/Gautheret.ppt
Principales étapes de la régulation par
lin-4
• Synthèse à partir d’un
précurseur
• Excision du fragment de
22nt
• Appariement imparfait
en plusieurs points de
l’UTR
• Blocage de la traduction
par complexe RISC
(He & Hannon, Nature reviews, 2004)
D’après Gautheret IGM Orsay www2.lifl.fr/SEQUOIA/Arena/Presentations/Gautheret.ppt
La découverte s’amplifie
• Plusieurs gènes-cibles de lin-4 découverts
• En 2000: découverte de let-7, un autre ARN (21nt) qui gouverne le
passage L4->adulte
• On trouve des homologues de let-7 chez les mollusques, oursin,
mouche, souris, homme
– Présent chez tous les métazoaires!
– Suggère un rôle fondamental
D’après Gautheret IGM Orsay www2.lifl.fr/SEQUOIA/Arena/Presentations/Gautheret.ppt
Généralisation
Les microRNA existent chez les plantes et les animaux
Taille entre 21 et 25nt
>1100 microRNA décrits chez l’homme
>717 chez la souris
>387 chez le rat
>186 chez la drosophile
>233 chez C. elegans
Chaque microRNA est capable de réprimer l’expression
de plusieurs dizaines de gènes
• Jusqu’à 60% des gènes humains régulés par petits ARN.
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D’après Gautheret IGM Orsay www2.lifl.fr/SEQUOIA/Arena/Presentations/Gautheret.ppt
Les microRNA s’expriment
spécifiquement
• Plusieurs miRNA sont
fortement sur/sousexprimés dans des
tumeurs
(He & Hannon, Nature reviews, 2004)
D’après Gautheret IGM Orsay www2.lifl.fr/SEQUOIA/Arena/Presentations/Gautheret.ppt
Un miRNA peut réprimer plus de 100 transcrits
– Injection de miR-1 (coeur + muscle) et miR-124 (cerveau) dans des cellules
humaines
– Suivi de l’expression par puce ADN
– ~200 gènes réprimés
– Le miRNA de cerveau réprime des gènes qui ne doivent pas s’exprimer dans
le cerveau en temps normal.
– IDEM pour miRNA de coeur.
D’après Gautheret IGM Orsay www2.lifl.fr/SEQUOIA/Arena/Presentations/Gautheret.ppt
Les gènes réprimés ont un motif
commun dans leur 3’ UTR
Séquence de 7-8nt « seed » essentielle pour la reconnaissance de la
cible
D’après Gautheret IGM Orsay www2.lifl.fr/SEQUOIA/Arena/Presentations/Gautheret.ppt
… la « matière noire » du génome ?
90% du génome des vertébrés est transcrit !
Intergenic DNA
Introns, UTRs
Transcription: T
Satellite DNA
T?
T
T
T
Transposable elements
Coding regions: 1.5%
tRNA, rRNA
D’après Gautheret IGM Orsay www2.lifl.fr/SEQUOIA/Arena/Presentations/Gautheret.ppt
Les ARN traditionnels
D’après bio.phys.unm.edu/50005/MicroRNA.ppt
Diversité des ARN
• Acide Ribonucleique
– Ribonucleotides (Ribose, base, & phosphate)
• Types
– Codant: ARN messager (mRNA)
– Non-codant:
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•
Ribosomal RNA (rRNA)
Transfer RNA (tRNA)
Small nuclear RNA (snRNA)
Small nucleolar RNA (snoRNA)
Interference RNA (RNAi)
Short interfering RNA (siRNA)
Piwi-interacting RNA (piRNA)
Micro RNA (miRNA)
Les micro ARN
Les micro ARN
• ARN non-codant de 21-22 nucleotides
• Produits par un gène qui code pour un
transcrit initial d’~70 nucleotides
• Ce transcrit “pre-miRNA” a la capacité à
former une structure tige-boucle
• Ce pre-miRNA est ensuite traité en un ARN
non-codant de 21-22 nucleotides par une
enzyme appelée Dicer
Les micro ARN
- 60% exprimés indépendamment
- 15% en clusters
- 25% dans des introns
Les micro ARN
• La vaste majorité d’entre eux régule d’autres gènes
en se liant à une séquence complémentaire du gène
cible
• Complementarité parfaite  dégradation du mRNA
du gene cible
• Complementarité imparfaite  inhibition de la
traduction en protéine
 d’importants acteurs de la régulation des gènes
Processus de maturation des miARN
D’après bio.phys.unm.edu/50005/MicroRNA.ppt
Processus de maturation des miARN
RISC (RNA induced silencing complex) associé au petit ARN monocaténaire
est responsable de l’inhibition de la traduction d’ARNm spécifiques.
Les protéines Argonaute (AGO) du complexe RISC
Argonaute proteins in RISC
Le mécanisme de régulation dépend
- de quelle protéine argonaute forme le complexe RISC
- de la complémentarité entre le siRNA et sa cible.
Siomi & Siomi Nature 457, 396, 2009
Acteurs principaux
• Drosha et Pasha (DGCR8) composent le complexe
protéique “Microprocessor” (~600-650kDa)
• Drosha et Dicer sont des enzymes RNase III
• Pasha est une protéine de liaison à dsRNA
• Exportin 5 est un membre de la famille des FT
karyopherines nucleocytoplasmiques
• Argonautes sont des enzymes de la famille des RNase H
et composent le complexe RISC (RNA-induced silencing
complex). Ils contiennent deux domaines: PAZ (liaison au
miARN) et PIWI (liaison à la cible)
L’évolution des micro-ARN
1.
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Généralités sur le contrôle de l’expression des gènes
Découverte du premier micro-ARN
Importance de ces microARN
Diversité de leurs modes d’action
Origine et biogenèse chez les plantes
Patrons d’évolution et de conservation
Un cas d’étude: dominance dans les systèmes d’auto-incompatibilité
Diversité des modes d’action :
1. atténuation de la traduction
doi:10.1016/S0092-8674(02)00863-2 Copyright 2002 Cell Press.
Diversité des modes d’action :
2. dégradation des ARNm
Diversité des modes d’action :
3. contrôle de la transcription par méthylation
Diversité des modes d’action
Transposon repression
Heterochromatin formation
Defense against viruses
Transposon repression
Heterochromatin formation
Regulation of
gene expression
D’après Christophe ANTONIEWSKI, Institut Pasteur
L’évolution des micro-ARN
1.
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5.
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Généralités sur le contrôle de l’expression des gènes
Découverte du premier micro-ARN
Importance de ces microARN
Diversité de leurs modes d’action
Origine et biogenèse chez les plantes
Patrons d’évolution et de conservation
Un cas d’étude: dominance dans les systèmes d’auto-incompatibilité
Apparition d’un nouveau micro-ARN:
1. via évolution spontanée
Voinnet 2009
Voinnet 2009
Apparition d’un nouveau micro-ARN:
2. via duplication inversée en tandem
Axtell et Bowman 2008
Apparition d’un nouveau micro-ARN:
2. via duplication inversée en tandem
 Perte du miRNA
 Perte de la cible
Apparition d’un nouveau micro-ARN:
3. dérivé d’un ancien élément transposable
MITE= Miniature Repeat TE
Voinnet 2009
Retrotransposons
•
Représentent 42% génome humain
!
•
Des éléments génétiques mobiles
égoistes qui peuvent s’amplifier
eux-memes et modifier la taille du
génome
•
Méchanisme
– Se copier en ARN
– Se rétro-trancrire en AND via a
reverse transcriptase
éventuellement encodée part le
retrotransposon
– S’intègre dans le génome à une
autre position
•https://eapbiofield.wikispaces.com/Ch+21+Genomes+and+Their+Evolution+LE
W?f=print
« Ping-pong » moléculaire
entre rétrotransposon et piRNA
Aravin et al. Science 2007
L’évolution des micro-ARN
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Généralités sur le contrôle de l’expression des gènes
Découverte du premier micro-ARN
Importance de ces microARN
Diversité de leurs modes d’action
Origine et biogenèse chez les plantes
Patrons d’évolution et de conservation
Un cas d’étude: dominance dans les systèmes d’auto-incompatibilité
Evolution à l’échelle
des angiospermes
 21 miRNA sont tres conservés / 392
décrits chez A. thaliana
 13 d’entre eux régulent des FT
impliqués dans le contrôle du
développement
 La plupart de ceux qui ne sont pas
conservés montrent une forte similarité
de séquence avec leur gène cible:
suggère mécanisme de création
récente.
 dynamique rapide
d’apparition/extinction ?
Axtell & Bowman (2008)
Evolution entre A. lyrata et A. thaliana
91 familles de miRNA
décrites chez A. thaliana
Fahlgren et al. 2010
Evolution entre A. lyrata et A. thaliana
Environ 1-3 nouveaux miRNA par million d’année.
 Une évolution rapide
Fahlgren et al. 2010
Evolution entre A. lyrata et A. thaliana
Apparition d’un nouveau micro-ARN:
2. via duplication inversée en tandem
79%
21%
Fahlgren et al. 2010
L’évolution des micro-ARN
1.
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7.
Généralités sur le contrôle de l’expression des gènes
Découverte du premier micro-ARN
Importance de ces microARN
Diversité de leurs modes d’action
Origine et biogenèse chez les plantes
Patrons d’évolution et de conservation
Un cas d’étude: dominance dans les systèmes d’auto-incompatibilité
Dominance dans les systèmes
d’auto-incompatibilité
Auto-incompatibilité: système génétique
de reconnaissance et de rejet du soi.
SCR
SRK
Système
clé-serrure
Dominance dans les systèmes
d’auto-incompatibilité
Tarutani et al. 2010
Dominance dans les systèmes
d’auto-incompatibilité
Tarutani et al. 2010
Dominance dans les systèmes
d’auto-incompatibilité
Dominance dans les systèmes
d’auto-incompatibilité
Shiba et al. 2006
Dominance dans les systèmes
d’auto-incompatibilité
Tarutani et al. 2010
Dominance dans les systèmes
d’auto-incompatibilité
Tarutani et al. 2010
In pollen
Dominance dans les systèmes
d’auto-incompatibilité
15
Highy
dominant
BAC
BAC
13
20
4
Dominant
2
10
BAC
3
Intermediate
Recessive
8
BAC
28
1
SRK
SCR
SA (dominant)
SB (dominant)
S13 (dominant)
sRNA
SCR
SRK
sRNA
exon1
S14 (intermediate)
exon2
SRK
SCR
S1 (recessive)
Bilan
• Les petits ARN non-codants sont des acteurs
majeurs de la régulation de l’expression des gènes
• Ils agissent via une diversité de mécanismes à
différents niveaux de l’expression
• Ils peuvent évoluer rapidement ou être très
conservés
• Ils co-évoluent avec leur cible
• Leur découverte et la compréhension de leurs
mécanismes a mené à des applications très
concrètes…
Une application majeure:
l’interférence ARN
Une application majeure: siRNA
• Un nouvel outil pour la recherche:
– Abolition de l’expression d’un gène d’intérêt
– Contrôle de l’expression à différents niveaux
– Expression stable ou transitoire
– Différentes méthodes d’expression