Repeat dynamics in eukaryotic genomes: from formation to elimination
Etude de la dynamique des repetitions dans les genomes eucaryotes: de leur formation a leur elimination
Résumé
From bacteria to human, interspersed or in tandem, repeated sequences can cover more than 90 % of a genomic sequence. Despite their impact on the evolution and the plasticity of eukaryotic genomes, their mechanism of propagation remains still unclear. The continuous insertion of new copies should induce the increase of genome size. What are the selection pressures involved in the genome size regulation? Do these selection strength are the same in euchromatic and heterochromatic regions? In order to highlight the repeat dynamics, I first developed computational pipelines to detect segmental duplications (SDs) and tandem repeat arrays (TRs). The SD features of the detected in the Drosophila melanogaster genome, allowed us to propose a non-allelic homologous recombination mechanism as a SD formation model. This process can be induced by repeats such as TEs. Indeed, I showed the traces of transposable elements (TEs) at their breakpoints. To understand the relationship between the repeats and the chromatin structure, we investigated the repeat evolutionary dynamics by comparing their features in heterochromatin and euchromatin domains in Arabidopsis thaliana. We constructed phylogenetic trees of repeats to estimate their divergence in euchromatin and heterochromatin. The tree topology of TE families reflects transpositions by “burst”. In order to explain, the size and divergence variations of the TE copies between these two chromatic domains, we estimated the strength of repeat elimination into these regions. Our analysis suggests that the gene selection pressure effect induces in euchromatin the repeat elimination, although, in heterochromatin, the gene paucity allows to maintain the high TE density. However, the DNA loss rate estimations suggest the same fast turnover in the both chromatin domains. To counteract the TE insertion in heterochromatin, we proposed that non-allelic homologous recombination may play a significant role. This process allows to eliminate rapidly lots of copies.
De la bactérie à l'homme, dispersées ou en tandem, les répétitions peuvent représenter jusqu'à 90 % de la séquence génomique. Malgré leur impact sur la plasticité et l'évolution des génomes eucaryotes, leurs mécanismes de formation sont encore très spéculatifs. L'insertion continue de nouvelles répétitions devrait conduire à une augmentation constante de la taille des génomes. Or, il ne semble pas que ce soit le cas. Y a t-il régulation de la taille des génomes? Le processus de régulation est-il le même dans l'euchromatine et l'hétérochromatine? Afin d'étudier la dynamique des répétitions, j'ai développé un ensemble de programmes informatiques pour la détection des duplications segmentaires (DS) et des répétitions en tandem (RT). A partir des caractéristiques des DS détectées chez Drosophila melanogaster, j'ai proposé un modèle de formation des DS, basé sur un modèle de recombinaison homologue non-allélique. J'ai également identifié les traces de l'implication des éléments transposables (ET) dans ce processus. Afin de caractériser la relation existante entre les répétitions et la structure de la chromatine, j'ai ensuite réalisé une analyse comparative de la dynamique des répétitions euchromatiques et hétérochromatiques. Pour ce travail, nous avons choisi comme modèle d'étude Arabidopsis thaliana. La construction d'arbres phylogénétiques des séquences répétées m'a permis de dater les répétitions. Nous suggérons ainsi une propagation par « vague » des ET. J'ai ensuite estimé les forces d'élimination des copies d'ET. Nos résultats suggèrent que dans l'euchromatine, la pression de sélection due aux gènes induit l'élimination des répétitions. Dans l'hétérochromatine, la faible densité en gènes permet de maintenir une forte densité en ET. Pourtant, les estimations du taux de perte en ADN, prédisent un turnover aussi rapide dans l'euchromatine que dans l'hétérochromatine. Afin de contre-balancer l'insertion des ET dans l'hétérochromatine, nous pouvons invoquer la recombinaison homologue non-allélique.
Mots clés
Transposable elements
segmental duplications
double-strand break DNA repair
rearrangement
nonallelic<br />homologous recombination
chromatine structure
Eléments transposables
duplications segmentaires
satellites
cassures double-brin d'ADN
réarrangements
<br />recombinaison ectopique
structure de la chromatine
Domaines
Autre [q-bio.OT]
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