Mots-Clés

meiosis recombination map prdm9 : teleost

Description

Contexte du projet et objectifs

Chez les eucaryotes se reproduisant par voie sexuée, le passage de l'état diploïde à l'état haploïde lors de la formation des gamètes nécessite une division cellulaire spécialisée appelée méiose. Elle se compose d’une phase de réplication suivie de deux divisions successives : la séparation des chromosomes homologues (méiose I) puis la séparation des chromatides sœurs (méiose II). Lors de la méiose I, la recombinaison méiotique permet de créer une connexion physique entre les chromosomes homologues, qui est indispensable pour leur ségrégation correcte. La recombinaison est initiée par la formation de centaines de cassures double-brin d’ADN (CDB) programmées qui sont réparées par recombinaison homologue, avec ou sans crossing-over (échange de portions de chromosomes). Ce mécanisme, essentiel pour la fertilité et la transmission du nombre correct de chromosome à la descendance, est également fondamental pour l’évolution des génomes par le brassage génétique qu’il induit.

Chez de nombreuses espèces, la distribution des évènements de recombinaison le long du génome n’est pas aléatoire : les CDB sont concentrées dans des intervalles génomiques d’environ un kilobase appelés points chauds de recombinaison. Il a été mis en évidence chez l’homme et la souris que la protéine PRDM9 contrôle la localisation des CDB1. Elle fixe, grâce à son doigt de zinc, des séquences d’ADN spécifiques où sont catalysées les cassures. L’impressionnante diversité des doigts de zinc entre espèces et au sein d’une même espèce2–6 contribue à la diversité des cartes de recombinaison. De façon surprenante, le gène Prdm9 a été perdu chez certaines espèces de Vertébrés au cours de l’évolution (oiseaux, canidés) et il est absent chez les plantes ou encore la levure. En l’absence de PRDM9, les points chauds sont concentrés dans des régions enrichies en la modification d’histone H3K4me3 (régions régulatrices comme les promoteurs ou les enhancers)7. Comprendre le rôle de PRDM9 en méiose nécessite d’explorer le contrôle des points chauds chez des espèces ayant ou non cette protéine clé. Ce projet de recherche vise à cartographier les CDB méiotiques chez des poissons téléostéens, qui ont la particularité de renfermer des espèces ayant perdu ou conservé un gène Prdm9 fonctionnel. En particulier, lors de ce stage, nous répondrons aux questions suivantes :

1/ Est-ce que PRDM9 détermine la localisation des cassures pour les poissons téléostéens ayant un gène Prdm9 ?

2/ Est-ce que les caractéristiques des sites de recombinaison sont comparables à ce qui a été décrit jusqu’à présent chez les espèces avec et sans Prdm9 ? Y a-t-il des spécificités propres aux poissons téléostéens ?

Méthodes

La position des sites de cassures est permise grâce à un protocole modifié de ChIP-seq8,9. Dans le cadre du travail proposé ici, les expérimentations seront réalisées par des biologistes moléculaires, et le travail du (de la) candidat(e) consistera en l’analyse spécifique de ces données de NGS en utilisant différents pipelines bioinformatique. Ce travail nécessitera également de développer des scripts dédiés, permettant entre autres la manipulation des données, leur synthèse et leur visualisation. Si l’étudiant le souhaite, il pourra participer à certaines expériences de biologie moléculaire sans que cela ne soit obligatoire. Sur le plan technique, ce projet permettra une formation approfondie en analyse de données haut débit, en bioinformatique, en programmation et en manipulation avancée de tableaux. Les principes de la science reproductible et du travail collaboratif seront également appliqués.

Résultats attendus

- Cartographie des sites de cassures chez trois espèces de poissons

- Caractérisation des sites de recombinaison : profil épigénétique, annotation, distribution, …

- Analyse du lien entre présence de Prdm9 et cartes des cassures

- Synthèse sur le rôle de Prdm9 dans la localisation des sites de recombinaison chez ces espèces.

Profil et compétences recherchées

- Intérêt marqué pour l’évolution des génomes, la diversité du monde vivant et les processus moléculaires à l’origine de cette diversité.

- Solide formation en bioinformatique et en analyse de données génomiques (les candidatures d’étudiants motivés pour s’investir intensément dans la formation en bioinformatique seront étudiées)

- Maîtrise de l’environnement UNIX

- Programmation en bash et Python ou R.

- Rigueur et organisation dans le travail indispensable

- Curiosité et dynamisme

Références

1. Baudat, F. et al. PRDM9 is a major determinant of meiotic recombination hotspots in humans and mice. Science 327, 836–40 (2010).

2. Buard, J. et al. Diversity of Prdm9 Zinc Finger Array in Wild Mice Unravels New Facets of the Evolutionary Turnover of this Coding Minisatellite. PLoS One 9, e85021 (2014).

3. Ponting, C. P. What are the genomic drivers of the rapid evolution of PRDM9? Trends Genet. 27, 165–171 (2011).

4. Oliver, P. L. et al. Accelerated Evolution of the Prdm9 Speciation Gene across Diverse Metazoan Taxa. PLoS Genet 5, e1000753 (2009).

5. Brunschwig, H. et al. Fine-scale maps of recombination rates and hotspots in the mouse genome. Genetics 191, 757–64 (2012).

6. Baker, Z. et al. Repeated losses of PRDM9-directed recombination despite the conservation of PRDM9 across vertebrates. Elife 6, 1–34 (2017).

7. Borde, V. et al. Histone H3 lysine 4 trimethylation marks meiotic recombination initiation sites. EMBO J. 28, 99–111 (2009).

8. Khil, P. P., Smagulova, F., Brick, K. M., Camerini-Otero, R. D. & Petukhova, G. V. Sensitive mapping of recombination hotspots using sequencing-based detection of ssDNA. Genome Res. 22, 957–965 (2012).

9. Brick, K., Pratto, F., Sun, C. Y., Camerini-Otero, R. D. & Petukhova, G. Analysis of Meiotic Double-Strand Break Initiation in Mammals. Methods in Enzymology vol. 601 (Elsevier Inc., 2018).