Évolution de l'inactivation du chromosome X et des ARN non-codants régulateurs au cours de l'évolution des primates

Evolution of X Chromosome inactivation and regulatory non-coding RNA in primates

• Auteur / Autrice : Emmanuel Cazottes
• Direction : Céline Morey
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génétique
• Date : Soutenance le 06/12/2023
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Épigénétique et destin cellulaire (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Ines Anna Drinnenberg
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Camille Berthelot, James Turner
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ines Anna Drinnenberg, Gaël Cristofari

Mots clés

Mots clés contrôlés

Primates

Chromosomes sexuels

Code génétique

Mots clés libres

Non-coding genome

Embryonic stem cells

Evolution

Primates

Transcriptional regulation

X Chromosome inactivation

Long non-coding RNA gene

X inactivation center

Cis-regulatory element

3D genome

Résumé

Le génome non codant est prévalant dans de nombreuses espèces eucaryotes et est largement associé à une activité biochimique. Cependant, la génétique des populations suggère qu'une fraction substantielle du génome non codant pourrait être non fonctionnelle, étayée par des approches expérimentales. Néanmoins, les acteurs du génome non codant assument principalement des fonctions régulatrices et leur évolution par rapport à ce rôle fondamental est mal comprise. En effet, comment les gènes conservés font-ils face au renouvellement rapide de leur réseau de régulation ? Comment les processus biologiques conservés sont-ils maintenus si les séquences codant leur déploiement spatiotemporel ne sont pas conservées ? Le génome non codant peut-il être un substrat facilement disponible pour l'évolution des espèces en réponse à un environnement en constante évolution ? En d'autres termes, le génome non codant est-il un moteur de la spéciation ? Pour répondre à ces questions, lors de ma thèse de doctorat, nous avons réduit l'échelle temporelle de l'évolution en nous concentrant sur des espèces de primates étroitement liées couvrant 55 millions d'années d'évolution : le ouistiti, le macaque rhésus, le chimpanzé et l'humain. Nous avons décidé d'étudier l'évolution du processus épigénétique essentiel de l'inactivation du chromosome X (XCI), car son régulateur principal est le gène ARN non codant long (LRG) XIST ainsi que ses régulateurs non codant au sein du Centre d'inactivation du chromosome X (XIC). De plus, le réseau de régulation de XIST a été décrit de manière détaillée chez les mammifères et comprend tous les types d'acteurs non codants : LRG, élément régulateur cis (cRE) et repliement de la chromatine. Ce faisant, nous pensons avoir une résolution suffisante pour suivre les traces moléculaires des acteurs de régulation du génome non codant et relier les changements de séquences à d'éventuels changements de fonction et de mode d'action. L'étude utilise une approche génétique inverse pour tester la fonction des éléments non codants dans la régulation de XIST. Bien que certains éléments montrent une activité régulatrice, leurs effets sont généralement modestes. De plus, la séquence sous-jacente à l'activité régulatrice évolue de manière neutre. Cela soutient l'idée que XCI est un trait complexe impliquant de nombreux composants avec de faibles gains de fitness individuels mais pourrait servir de réservoir de potentiel adaptatif pour le processus de XCI. Des investigations supplémentaires sont nécessaires pour explorer les implications de ces découvertes pour les populations de primates.

The non-coding genome is prevalent in many eukaryotic species and most of it is mapped to biochemical activity. However, population genetics suggests that a substantial fraction of the non-coding genome could be non-functional, backed up by experimental approaches. Nonetheless, players of the non-coding genome mostly assume regulatory functions and their evolution regarding their seminal role is poorly understood. Indeed, how do conserved genes cope with the rapid turnover of their regulatory network? How conserved biological processes are maintained if the sequences encoding their spatio-temporal unfolding is not conserved? Can the non-coding genome be a readily available substrate for species evolution in response to an ever-changing environment? In other words, is the non-coding genome a driver of speciation? To tackle these questions, during my PhD thesis, we shrank the evolutionary timescale by focusing on evolutionary close primate species spanning 55 million years of evolution: the marmoset, the rhesus macaque, the chimpanzee and the human. We have decided to study the evolution of the essential epigenetic process of X Chromosome Inactivation (XCI) since its master regulator is the long non-coding RNA gene (LRG) XIST and its regulators within the X Inactivation Center (XIC). Moreover, the XIST regulatory network has been described in exquisite detail in mammals and includes every types of non-coding actors: LRG, cis-regulatory element (cRE) and chromatin folding. Doing so, we believe we should have enough resolution to follow in the molecular footsteps of the regulatory players of the non-coding genome and link changes in sequences to potential changes in function and mode of action. The study uses a reverse genetic approach to test the function of non-coding elements in XIST regulation. While some elements show regulatory activity, their effects are generally modest. Moreover, the sequence underlying the regulatory activity is evolving neutrally. This supports the idea that XCI is a complex trait involving many components with minor individual fitness gains but could serve as a reservoir of adaptive potential for the XCI process. Further investigation is needed to explore the implications of these findings for primate populations.