Existe t`il une variation quantitative de la Modification

Variation quantitative de la « MODification » liée à l’Incompatibilité
Cytoplasmique due aux bactéries endosymbiotiques du genre Wolbachia
Sujet de Master proposé dans le cadre de la formation «Ecologie, Biodiversité, Evolution»
par Hervé Merçot - Laboratoire Dynamique du Génome et Evolution, Institut Jacques Monod, Tour 42-4,
Universités Paris 6&7, 2 Place Jussieu 75251 Paris. Tel: 01 44 27 82 84 ou 01 44 27 36 59.
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Les Wolbachia sont des bactéries symbiotiques endocellulaires des Arthropodes terrestres.
Elles constituent sans doute l’association symbiotique la plus répandue chez ces derniers. Leur
transmission est de type vertical et maternel, via le cytoplasme de l’œuf. L’invasion des populations
hôtes et le maintien dans celles ci sont assurés grâce à un certain nombre de phénomènes affectant
la sexualité et la reproduction de l’hôte, soit au dépend du sexe non transmetteur (le sexe mâle), soit
au détriment de la descendance des femelles non infectées. Ces phénomènes sont: La féminisation,
l’induction de la parthénogenèse thélytoque, le “male-killing” et l’incompatibilité cytoplasmique.
L’Incompatibilité Cytoplasmique (IC)
L’IC est le phénomène le plus couramment décrit. Elle se traduit par une plus ou moins forte
mortalité embryonnaire dans la descendance d’un croisement incompatible. Typiquement on
distingue deux formes d’IC.
(i) L’IC unidirectionnelle: Elle se manifeste lors d’un croisement entre un mâle infecté et une
femelle non infectée. Le croisement réciproque est fertile, ainsi que le croisement entre deux
individus infectés par la même Wolbachia. En conséquence la proportion d’individus infectés
augmente de génération en génération au sein de la population hôte.
(ii) L'IC bidirectionnelle: Elle se produit lorsque le mâle et la femelle sont infectés chacun par
une Wolbachia différente. La mortalité embryonnaire se manifeste alors dans les deux sens de
croisements selon le niveau d’IC propre à chacune des 2 Wolbachia.
Les fonctions MOD et RESC
On peut décrire l’IC selon 2 fonctions (MODification et REScue), à l’aide d’un modèle
poison-antidote.
Chez un mâle infecté, les Wolbachia, avant leur expulsion des spermatozoïdes, modifient,
via un poison, la structure des chromosomes du gamète. Si un tel spermatozoïde féconde un ovocyte
non-infecté on observe un blocage des chromosomes paternels en plaque équatoriale, un retard dans
la rupture de l’enveloppe du pronucleus mâle et la perte des chromosomes paternels à la première
mitose. Il en résulte un avortement plus ou moins précoce de l’embryon. (Cas de l’incompatibilité
unidirectionelle) Par contre, si l’ovocyte est infecté, les Wolbachia de l’ovocyte vont y produire un
antidote. Deux cas sont alors possibles:
(i) les Wolbachia infectant l’ovocyte sont identiques à celles infectant le mâle. L’antidote
reconnaît la modification due au poison et la corrige. Les chromosomes paternels redeviennent
fonctionnels, l’embryon est sauvé (rescued).
(ii) les Wolbachia infectant l’ovocyte sont différentes de celles infectant le mâle. La
modification n’est pas reconnue par l’antidote (i.e. qu’il existe une variation qualitative de la
fonction MOD). Les chromosomes paternels restent non fonctionnels, l’embryon avorte (cas de l’IC
bidirectionnelle).
Plusieurs modèles théoriques ont été proposés, (“ serrure-clé ”, “ titration-restitution ”,
“ retard ”) pour rendre compte des mécanismes de l’IC. Cependant les bases moléculaires de ce
phénomène restent totalement inconnues, tant du point de vue de la bactérie (fonction MOD et
RESC) que du point de vue des cibles impliquées chez l’hôte.
Existe t’il une variation quantitative de la Modification ?
Le niveau d’expression de l’IC dans un croisement non compatible dépend à priori de la
proportion de spermatozoides modifiés. Ceci peut varier en fonction (i) du variant bactérien: de 0%
(Wolbachia de type MOD-) à 100% (mortalité embryonnaire totale), (ii) de l’hôte, plus ou moins
permissif ou (iii) du veillissement des mâles, L’IC diminuant avec l’âge. Par contre on ignore
totalement s’il existe ou non une variation quantitative du marquage des chromosomes paternels par
la Wolbachia via sa fonction « Modification ». Autrement dit, pour un même variant bactérien et
chez un même hôte, le nombre de cibles touchées sur les chromosomes est il toujours constant? Si
tel n’est pas le cas cela constituerait un paramètre essentiel à prendre en compte dans les modèles
proposés pour expliquer l’IC et plus encore dans la recherche du mécanisme lié à la fonction
MODification et de ses cibles. Par ailleurs une variation quantitative du nombre de cibles de MOD
pourrait expliquer pourquoi il peut exister des incompatibilités bidirectionelles partielles mais non
réciproques dans les deux sens de croisements. De résultats récents, obtenus à la suite d’une étude
des infections par Wolbachia chez les espèces de Drosophiles du ‘’complexe Yakuba’’ (Genetics
67: 827-834 ; Juin 2004) nous ont conduit à (i) observer un nouveau type d’incompatibilité
cytoplasmique bidirectionelle partielle qui pourrait s’expliquer par une variation quantitative de la
fonction MOD, (ii) à émettre l’hypothèse que pour un même variant bactérien et chez un même hôte
le nombre de cibles modifiées pourrait effectivement varier selon différents paramètres. C’est à
l’étude de cette incompatibilité bidirectionelle originale et à la mise en évidence de la variation
quantitative de la fonction MOD qu’est consacré le sujet de ce stage.
Matériel biologique étudié et approche expérimentale
Le travail se fera à l’aide de l’espèce hôte Drosophila simulans. Expérimentalement le
travail consistera essentiellement en la réalisation de croisements entre souches hôtes infectées par
différents variants bactériens, de PCR pour déterminer la présence de l’infection et le cas échéant de
sequençages.
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