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THESE DE DOCTORAT DE L'UNIVERSITE PIERRE ET MARIE CURIE ...

166 pages









THESE DE DOCTORAT DE
L’UNIVERSITE PIERRE ET MARIE CURIE

Spécialité

Génétique
(Complexité du vivant)

Présentée par

M. LOIRE Etienne

Pour obtenir le grade de

DOCTEUR de l’UNIVERSITÉ PIERRE ET MARIE CURIE



Sujet de la thèse :

Évolution des microsatellites codants chez les primates

Soutenue le : le 25 Novembre 2009

Devant le jury composé de :

M. DUJON Bernard Président du Jury
M. RADMAN Miroslav Rapporteur
M. GALTIER Nicolas Rapporteur
M. RAES Jeroen Examinateur
M. DEPAULIS Frantz Examinateur
M. NETTER Pierre Directeur de thèse
M. ACHAZ Guillaume Directeur de thèse


Université Pierre & Marie Curie - Paris 6 Tél. Secrétariat : 01 42 34 68 35
Bureau d’accueil, inscription des doctorants et base de Fax : 01 42 34 68 40
données Tél. pour les étudiants de A à EL : 01 42 34 69 54
èmeEsc G, 2 étage Tél. pour les étudiants de EM à MON : 01 42 34 68 41
15 rue de l’école de médecine Tél. pour les étudiants de MOO à Z : 01 42 34 68 51
75270-PARIS CEDEX 06 E-mail : scolarite.doctorat@upmc.fr

Table des matières
Résumé ..................................................................................................................................5
Introduction............................7
1. Mécanismes de mutation des microsatellites.................................................................13
1. 1 Les erreurs au cours de la réplication...14
1.2.1. La ...
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THESE DE DOCTORAT DE L’UNIVERSITE PIERRE ET MARIE CURIE Spécialité Génétique (Complexité du vivant) Présentée par M. LOIRE Etienne Pour obtenir le grade de DOCTEUR de l’UNIVERSITÉ PIERRE ET MARIE CURIE Sujet de la thèse : Évolution des microsatellites codants chez les primates Soutenue le : le 25 Novembre 2009 Devant le jury composé de : M. DUJON Bernard Président du Jury M. RADMAN Miroslav Rapporteur M. GALTIER Nicolas Rapporteur M. RAES Jeroen Examinateur M. DEPAULIS Frantz Examinateur M. NETTER Pierre Directeur de thèse M. ACHAZ Guillaume Directeur de thèse Université Pierre & Marie Curie - Paris 6 Tél. Secrétariat : 01 42 34 68 35 Bureau d’accueil, inscription des doctorants et base de Fax : 01 42 34 68 40 données Tél. pour les étudiants de A à EL : 01 42 34 69 54 èmeEsc G, 2 étage Tél. pour les étudiants de EM à MON : 01 42 34 68 41 15 rue de l’école de médecine Tél. pour les étudiants de MOO à Z : 01 42 34 68 51 75270-PARIS CEDEX 06 E-mail : scolarite.doctorat@upmc.fr Table des matières Résumé ..................................................................................................................................5 Introduction............................7 1. Mécanismes de mutation des microsatellites.................................................................13 1. 1 Les erreurs au cours de la réplication...14 1.2.1. La sélection de base assurée par la fidélité de la polymérase.........................15 1.2.2. La correction d’épreuves de la polymérase («Proofreading»)........................15 1.2.3. le glissement de l’ADN polymerases sur les microsatellites.............................18 1.3. Les erreurs au cours de la transcription ..................................................................20 1.4. Les erreurs au cours de la recombinaison...............................23 1.5. Les insertions d’éléments mobiles de type Alu.......................................................28 1.6. L’importance du système MMR pour limiter l’instabilité des microsatellites..........30 1.6.1. Le système de correction des mésappariements ...............................................30 1.6.2. Le système MMR chez les procaryotes............................30 1.6.3. Le système MMR chez les eucaryotes.............................................................32 1.6.3 MMR et séquences répétées .............................................................................36 1.7. L’importance du système NMD pour limiter les conséquences des mutations des microsatellites...............................................37 1.8. Les facteurs intrinsèques qui influencent l’instabilité des mirosatellites..................39 2. Microsatellites au sein des gènes...................................................................................41 2.1. Abondance.............................................41 2.2. Impact fonctionnel des microsatellites codants.......................................................46 2.2.1. Régions 5’ non traduites..................................................47 2.2.2. Introns.............................................................................50 2.2.3. Régions 3’ non traduites..................................................52 1 2.2.4. régions codantes..............................................................................................53 2.2.4.1 Maladies neurodégénératives.....................................55 2.2.4.2 Instabilité des microsatellites et cancer......................................................56 2.2.4.3 Loci de contingences chez les bactéries.....................57 2.3. Sélection................................................................................................................59 2.3.4. Sélection négative des microsatellites codants.................60 2.3.5. L’hypothèse d’une sélection positive des microsatellites codants.....................64 3. Questions adressées au cours de la thèse.......................................................................67 Résultats...............................................................................................69 1. Hypermutabilité des gènes chez H. sapiens...................................................................71 1.1. Article....................................................................................................................75 1.2. Résumé des résultats..............................87 2. Évolution des microsatellites codants chez les primates................................................89 2.1. Article (en préparation)..........................................................93 2.2. Résumé des résultats et discussion .......................................................................116 3) Impact du système NMD sur la progression des cancers colorectaux.........................119 Discussion..........................................................................................................................121 1. Résumé des résultats...................................122 2. Les groupes fonctionnels de gènes ne sont pas égaux devant les microsatellites codants .......................................................................................................123 3. Quantification de la force de sélection s’exerçant sur les microsatellites codants.........129 4. Le taux de substitution exceptionnel des microsatellites codants.................................133 5. Les contraintes imposées par les protéines, « produits » des gènes .............................135 Conclusion .........................................................................................................................137 Références..........................140 Annexe 1 : Article ..........................................................................................................156 2 Remerciements La liste est longue, les sentiments sont forts, l’espace comme le temps sont réduits. Je ferais de mon mieux, mais l’exhausitivité est impossible. L’ellipse recèle beaucoup. Le jury qui a accepté de considerer attentivement cette thèse est evidemment à mettre en haut, car il est constitué de personnes avec qui je n’ai pas de liens personnels. Ils se sont donc chargés de cette tâche non par amitié ou pour me rendre service, mais bien par le sentiment du devoir qu’ont les scientifiques de juger objectivement du travail de chacun. Pierre et Guillaume sont également à placer dans la section la plus formelle de ces remerciements. Je dois à leur confiance et leur soutien sans faille parmi les plus belles années de ma vie. Dominique et Françoise m’ont également mis le pied à l’étrier. Vous m’avez souvent aidé à me relever. Merci à vous, ainsi qu’à tous les collègues de l’équipe génétique et évolution. Jamais je ne me feliciterai assez (après tout j’ai bien le droit de me remercier un peu) d’avoir poussé la porte de l’ABI, troisième étage droite, rue Cuvier. C’était comme un secret bien gardé, un privilège. J’y ai beaucoup appris dans le domaine scientifique et tout a changé là- bas. Quand je pense à vous tous, ce sont des détails qui m’émeuvent le plus. Le premier café pris avec Eduardo et Marie, un jour de novembre. Le partage de cette boisson avec vous avait un goût de rite intiatique. J’ai appris beaucoup : Pourquoi il faut se méfier des étiquettes, surtout sur les vestes (merci Isabelle) ; Pouquoi il faut se méfier des étiquettes, surtout sur les pulls (Merci Joel) ; Quelle est la différence entre un flic (Il ne sait ni lire, merci Henry) ; Comment voler mon propre vélo (et pourquoi pas de mes propres ailes, merci Anne) ; Que certaines flammes ne s’éteignent jamais (Merci Martine) ; Qu’un disque est parfois mou tout en contenant des pépites (merci Sophie); Que Mars pourrait bien changer de couleur (Merci Bernard) ; Comment encercler les étoiles et Charles de Gaulle (merci Cyril) ; Comment faire un rocket-jump (merci Alex) ; Que certaines bombes se manient avec précaution, tout comme les voitures (merci Sara !) ; Qu’on peut avoir la gentillesse sobrement chevillée au corp (Merci Anne-laure) ; Ou manger les meilleurs tapas de Barcelone (Thanks Todd) ; Que le joe- bar-team illustre les probabilités à merveille (merci Guillaume S.) ; Que la craie et le noir vont si bien ensemble (merci Christine) ; Que le sourire est terriblement contagieux et se pratique tout les jours (merci Manue, ‘MO’ et Mathilde). 3 Si on ne peut pas prétendre battre Cthulhu, on peut tordre le coup à bien des livres, même remplis d’équation. Merci Guillaume, pour les aventures dans le monde de l’imaginaire. Grâce à toi, j’ai aussi saisi pourquoi Hugo avait écrit : « Il n'est pas de brouillards, comme il n'est point d'algèbres, Qui résistent, au fond des nombres ou des cieux, À la fixité calme et profonde des yeux ; Je regardais ce mur d'abord confus et vague, Où la forme semblait flotter comme une vague, Où tout semblait vapeur, vertige, illusion ; Et, sous mon œil pensif, l'étrange vision Devenait moins brumeuse et plus claire, à mesure Que ma prunelle était moins troublée et plus sûre. » Mais celui qui m’a appris ces vers, la license poétique, je la dois à Julien, comme beaucoup d’autres choses. Merci à toi, ainsi qu’à Luc, pour toutes ces soirées durant lesquelles nous nous sommes elevés ensemble. Tristan, ta-rie, Pierre, Gael, Thomas, Elvire, Mickael, Sylvie, Fabien. Vous n’avez pas besoin que je l’écrive ici pour savoir combien je vous aime, mais après tout c’est l’occasion. Toi non plus Marie. Merci ma muse, amuse et m’use encore, longtemps si tu veux, toujours si tu peux. Mes frères, guides et modèles. Ma mère. Présente. Toujours à mes cotés Mon père. Présent. Toujours dans ma mémoire. Elise, ma fille. Chaque heure avec toi m’est infiniment plus précieuse que les battements du temps qui passe autour. 4 Résumé Les microsatellites sont des séquences qui présentent des mécanismes mutationnels propres à leur nature répétée et qui aboutissent à de fréquents changements du nombre d’unité qui les composent. Cette nature hypermutable des microsatellites, extrêmement abondants dans les génomes eucaryotes, est responsable de leur polymorphisme élevé au sein des populations. Ces répétitions sont soumises à une force de sélection qui tend à les purger hors des gènes, en raison de l’instabilité qu’ils confèrent à ces derniers. Nous avons caractérisé les gènes humains qui contiennent un microsatellite codant instable et sont pour cette raison qualifiés d’hypermutables. Ces gènes hypermutables sont spécifiquement impliqués dans un nombre restreint de fonctions cellulaires. La pression de sélection négative qui s’exerce à l’encontre des répétitions n’est pas homogène selon les groupes fonctionnels considérés. Au sein du phylum des primates, les microsatellites codants évoluent par insertion et délétion, mais également par substitution et ce à un rythme deux fois élevé que celui du reste des séquences codantes. Ces substitutions créent ou interrompent les répétitions. La distribution des effectifs reste à l’équilibre dans toutes les espèces considérées. En nous penchant sur un type particulier de microsatellite, nous avons pu estimer le coefficient de sélection. L’effet d’un microsatellite sur la valeur adaptative d’un individu est relativement faible, mais suffisant pour biaiser la distribution de ces répétitions. 5 6 Introduction 7 Cette thèse s’inscrit dans un domaine d’étude, l’évolution moléculaire, bien trop vaste pour permettre une introduction complète. Nombreux sont les objets et concepts qui l’ont enrichi depuis que les lois de l’hérédité ont trouvé une base moléculaire avec la découverte du rôle de la molécule d’ADN dans cette hérédité. L’édifice des connaissances acquises sur ce sujet par l’humanité en un peu plus d’un siècle est un monument qui n’en finira pas de fasciner un individu curieux des phénomènes naturels. Car, niché derrière la stupéfiante diversité des formes prises par le vivant sur notre planète, repose une unité fondamentale qui les rassemble toute. Les êtres vivants utilisent une classe de biomolécules, les acide nucléiques, comme vecteur transmissible et persistant de l’information génétique (Griffith 1928; Avery, MacLeod, and McCarty 1944). Ces molécules sont constituées d’un enchaînement de monomères : les nucléotides. L’enchaînement séquentiel de ces nucléotides permet de coder l’information nécessaire à l’accomplissement du cycle vital des cellules qui constituent les organismes. Une fraction des molécules d’ADN, les gènes, est spécifiquement décodée en fonction du contexte physiologique de la cellule et en réponse à son environnement afin de produire des molécules (ARN ou protéines) qui participent activement au maintien de son homéostasie. Chez les organismes pluricellulaires, cette « expression » spécifique des gènes permet d’assurer le développement, la différentiation des types cellulaires, et la coordination de leurs fonctions pour le maintien de leurs homéostasies. Elle sous-tend la partie « visible » des organismes, forme et capacité, appelée phénotype. L’ensemble des molécules d’ADN, appelé génome, est recopié pour être transmis aux cellules filles à chaque division cellulaire. À chaque génération, des nucléotides changent, s’ajoutent ou disparaissent de manière aléatoire, altérant ainsi subtilement le patrimoine génétique des individus. Ces mutations de la molécule d’ADN peuvent modifier sensiblement – ou pas du 8 tout - le phénotype des individus chez qui elles apparaissent. Ces variations sont alors susceptibles de connaître plusieurs types de destin. Être perdues si l’individu qui les porte n’a pas l’occasion de les transmettre, être transmises aux descendants et ensuite maintenues dans une partie de la population, ou bien complètement l’envahir pour devenir la nouvelle « norme ». L’étude rigoureuse du destin des variations au sein des organismes d’une même espèce est appelée génétique des populations. La conséquence, pour les populations d’organismes, de l’existence de ces mutations et de leurs transmissions – ou non – à la génération suivante est l’évolution dite moléculaire, trame de fond de l’évolution biologique. Ces variations sont un matériau brut qui, raffiné par les processus évolutifs, a permis permettant l’émergence de l’innombrable variété de forme des êtres vivants passés et présents, des différences phénotypiques que l’on observe entre espèces comme de celles qui existent entre individus d’une même espèce. Dobzhansky a écrit que « Rien en biologie n’a de sens si ce n’est à la lumière de l’évolution ». Cet adage est couramment cité par les biologistes pour expliquer que l’adaptation des organismes à leur environnement est le résultat d’un processus d’évolution. Les mécanismes qui sous-tendent l’évolution sont cependant trop souvent réduits à des explications simplistes. En effet, l’adaptation des organismes à leur environnement est parfois interprétée comme le seul résultat d’une sélection retenant les mutations qui modifient de façon avantageuse le phénotype des individus qui les portent. Pourtant, ce qui compte ultimement en évolution, c’est le nombre de descendants que laissera un individu. Être transmis à la génération suivante est l’unique condition de la pérennité d’une variation. Si la variation influence de manière directe le succès reproductif de l’individu qui la porte, la sélection peut alors être invoqué comme une force évolutive à l’œuvre. Mais, parmi les forces évolutives susceptibles 9
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