Interaction entre les crossing-overs méiotiques et l’architecture du chromosome : rôle du complexe spécifique de la méiose Zip2-Zip4-Spo16

Interplay between meiotic crossing-overs and chromosome architecture : role of the meiosis specific complex Zip2-Zip4-Spo16

• Auteur / Autrice : Alexandra Pyatnitskaya
• Direction : Valérie Borde
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie cellulaire
• Date : Soutenance le 07/10/2021
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Complexité du vivant (Paris ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Dynamique de l'information génétique - Dynamique de l'information génétique : bases fondamentales et cancer
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut Curie (Paris ; 1978-....)
• Jury : Président / Présidente : Sarah Lambert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Valérie Borde, Sarah Lambert, Raphaël Mercier, Owen Davies, Arnaud De Muyt, Corinne Grey
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Raphaël Mercier, Owen Davies

Mots clés

Mots clés libres

Méiose

Recombinaison homologue

Prophase I

Complexe ZZS

Complexe synaptonémal

Crossing-Over

Meiosis

Crossing-Over

Chromosome architecture

ZZS complex

Synaptonemal complex

Prophase I

Résumé

La méiose est une étape essentielle de la reproduction chez tous les organismes sexués. En effet, celle-ci permet l’obtention de quatre gamètes haploïdes à partir d’une seule cellule diploïde grâce à la réalisation deux divisions successives suivant une seule étape de réplication. Un des éléments essentiels permettant une bonne ségrégation en première division méiotique est la création d’un échange physique entre les chromosomes homologues parentaux. Ce lien physique, plus communément appelé crossing-over (CO), est produit par un mécanisme de recombinaison entre les chromosomes homologues au cours de la prophase I méiotique. La recombinaison homologue est initiée par la formation simultanée de nombreuses cassures double-brin au sein du génome. Chez la levure de boulanger, la formation des COs est dépendante de la famille protéique ZMM (un acronyme pour Zip1/2/3/4-Msh4/5-Mer3-Spo16) composée de huit protéines hautement conservées, et impliquées dans la reconnaissance et la stabilisation des intermédiaires d’ADN formés au cours de la recombinaison homologue. Nous avons montré que la protéine Zip4 forme un complexe stable avec deux autres protéines ZMM, Zip2 et Spo16. Le complexe Zip2-Zip4-Spo16 (ZZS), de type XPF-ERCC1, serait capable de reconnaitre et de stabiliser les intermédiaires de recombinaison afin de promouvoir leur réparation en tant que CO. Chez les mammifères, Zip2 et Zip4 possèdent des homologues décrits, SHOC1 et TEX11 respectivement, mais aucun homologue n’a été découvert pour Spo16. Nous avons réalisé une analyse in silico et pu déterminer un homologue de Spo16 chez les mammifères, MmSPO16. Par la suite, j’ai pu co-purifier MmSPO16 avec le domaine XPF de SHOC1, ce qui suggère la conservation du complexe ZZS chez les mammifères. De plus, le processus de formation des COs est corrélé́ à la mise en place d’un complexe protéique formé entre les deux chromosomes homologues, appelé complexe synaptonémal (CS). Le CS est composé de deux éléments axiaux, accolés entre eux à une distance précise de 100 nm par la région centrale. La région centrale comprend un élément central, composé de l’hétérodimère Ecm11-Gmc2, et d’un élément transversal formé par la protéine Zip1. Les éléments transversaux partant des axes opposés se lient tête-bêche au niveau de l’élément central. Malgré des liens fonctionnels évidents entre la formation des COs et l’assemblage du CS entre les chromosomes homologues, aucun lien physique direct n’a été établi à ce jour. Au cours de mon doctorat, j’ai pu démontrer l’existence d’une interaction physique entre la protéine du CS Ecm11 et la protéine ZMM Zip4. Cette interaction est nécessaire pour la localisation et la polymérisation d’Ecm11 sur les chromosomes, l’assemblage correct du CS et la ségrégation des chromosomes homologues en première division méiotique.

Meiosis is a highly conserved mechanism among organisms with sexual development. This process consists in producing four haploid gametes from one diploid cell by executing two successive rounds of cell division. During the first meiotic division, reciprocal exchanges of parental DNA strands, also known as crossing-overs (COs), ensure the faithful segregation of homologous chromosomes. COs arise from a specific type of DNA repair, homologous recombination. This pathway is initiated by the simultaneous induction of hundreds of double strand breaks (DSBs) in the genome. In budding yeast, the major CO pathway is promoted by a family of eight conserved proteins, named ZMMs (acronym for Zip1/2/3/4-Msh4/5-Mer3-Spo16), involved in recognizing and stabilizing DNA intermediates formed during homologous recombination. We showed that the Zip4 protein forms a stable tripartite complex with two other ZMM proteins, Zip2 and Spo16. Our data suggests that the Zip2-Zip4-Spo16 (ZZS) complex binds recombination intermediates through its XPF-ERCC1-like domain and drives them towards a CO fate. The homologs of Zip2 and Zip4 in mammals, SHOC1 and TEX11 respectively, have been described, but no Spo16 homolog has been found so far. We could identify the homolog of Spo16 in mammals by an in silico screen, MmSPO16. In addition, I could co-purify MmSPO16 with the XPF domain of SHOC1, thus revealing the potential conservation of the entire ZZS complex in mammals. ZMM-dependent COs are formed within the context of a meiosis-specific structure, named synaptonemal complex (SC). The SC is a proteinaceous structure composed of two axial elements physically maintained together at a precise distance of 100 nm by a central region. The central region encompasses a central element, composed of the two proteins Ecm11 and Gmc2, and the transverse filaments composed of Zip1. The transverse filaments from opposing axial elements overlap and bind head-to-head in the central element. However, despite evidence of a close relationship between SC assembly and CO formation, nothing is known about a direct link that could coordinate these two events spatially and temporally. During my PhD, I found a new interaction between the SC protein Ecm11 and the ZMM protein Zip4. This newly discovered interaction is necessary for Ecm11 association and polymerization on chromosomes, the SC assembly and the homolog disjunction in meiosis I. Our results suggest a direct connection that ensures SC assembly from CO sites through the Zip4-Ecm11 interaction. This way, ensuring SC polymerization from emerging CO sites could be a way of fine-tuning CO distribution, by participating to CO interference and/or by regulating nearby DSB formation. Moreover, I could identify an interaction between the mammalian ortholog of Zip4, TEX11, and one of the five members composing the SC central element, TEX12, raising the possibility that this mechanism synchronizing CO formation and SC polymerization could be conserved.