Caractérisation des dynamiques chromosomiques pendant la prophase de la méiose chez Arabidopsis thaliana

Characterization of chromosome dynamics during meiotic prophase in Arabidopsis thaliana

• Auteur / Autrice : Mariana Tiscareño Andrade
• Direction : Mathilde Grelon, Laurence Cromer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences végétales
• Date : Soutenance le 12/12/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences du Végétal : du gène à l'écosystème
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean-Pierre Bourgin (Versailles ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Biosphera (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Marianne Delarue
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Tatout, Jean-René Huynh, Emmanuelle Fabre, Simone Köhler
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Tatout, Jean-René Huynh

Mots clés

Mots clés contrôlés

Arabidopsis thaliana

Imagerie moléculaire

Recombinaison génétique

Noyau cellulaire

Chromosomes végétaux

Méiose

Mots clés libres

Méiose

Chromosomes

Noyau

Recombinaison

Mouvement

Meiosis

Chromosomes

Nucleus

Recombination

Movement

Résumé

La méiose est une division cellulaire spécialisée qui génère des cellules haploïdes à l'origine des gamètes. Chez la plupart des eucaryotes à reproduction sexuée, de la variation génétique est introduite, d'une génération à l'autre, notamment par la formation de crossovers (CO) - des échanges génétiques entre chromosomes homologues. Ces COs se produisent par recombinaison homologue au cours de la prophase méiotique I et sont essentiels pour une ségrégation correcte des chromosomes à l'anaphase I. Au cours de la prophase I, les chromosomes sont soumis à plusieurs processus dynamiques : (i) l'appariement, où les chromosomes homologues s'alignent sur leur longueur ; (ii) le synapsis, l'union des homologues via le complexe synaptonémal ; (iii) l'attachement et le regroupement des télomères à l'enveloppe nucléaire (EN) et (iv) une mobilité importante des chromosomes, connue sous le nom de « mouvements rapides des chromosomes en prophase » (RPM). Les mécanismes moléculaires à l'origine de ces événements, en particulier chez les plantes, et leur lien avec la recombinaison ne sont pas encore totalement compris.En utilisant l'imagerie sur tissus vivants, j'ai caractérisé, pour la première fois chez Arabidopsis thaliana, les RPM pendant la prophase I dans les méiocytes mâles. Nos résultats ont révélé que les centromères méiotiques d'A. thaliana présentent des mouvements rapides (jusqu'à 500 nm/s) et non coordonnés pendant les stades zygotène et pachytène. Ces mouvements sont autonomes, ne sont pas associés à une rotation du noyau, et ne sont pas affectés par des mutations modifiant la progression du synapsis, la structure des chromosomes ou la recombinaison. J'ai également identifié plusieurs régulateurs de ces RPMs. Ils sont localisés dans l'EN, et correspondent au complexe LINC (Linker of Nucleoskeleton and Cytoskeleton) méiotique et sa protéine motrice associée, la kinésine PSS1.Grâce à des expériences d'immunolocalisation sur des cellules en 3 dimensions, j'ai analysé les changements structuraux survenant dans l'EN au cours de la prophase I de méiose. J'ai montré que le complexe PSS1-LINC présentait une polarisation et des accumulations sous formes d'agrégats aux points d'attachement des télomères sur l'EN. J'ai montré que le complexe PSS1-LINC favorise l'attachement et la dynamique des télomères au niveau de l'EN. Chez les mutants dépourvus du complexe PSS1-LINC, ces processus, ainsi que le mouvement des centromères, sont perturbés, voire abolis, ce qui entraîne des défauts de synapsis et de recombinaison. Cela suggère que les mouvements rapides des chromosomes en prophase jouent un rôle important pour assurer l'appariement entre chromosomes homologues et une recombinaison correcte pendant la prophase I chez A. thaliana.

Meiosis is a specialized cell division that generates haploid cells, which give rise to gametes. In sexually reproducing eukaryotes, meiosis is crucial to introduce genetic variation from one generation to the other, notably through the formation of crossovers (COs)—genetic exchanges between homologous chromosomes. These COs arise by recombination, during meiotic prophase I and are essential for proper chromosome segregation at anaphase I. During prophase I, chromosomes are subject to several dynamic processes: (i) pairing, where homologous chromosomes align along their length; (ii) synapsis, the union of homologs via the synaptonemal complex; (iii) telomere attachment and clustering to the nuclear envelope (NE) and (iv) significant chromosome mobility, known as “Rapid Prophase movements” (RPMs). The molecular mechanisms behind these events, particularly in plants, and their link to recombination are still not fully understood.Using live-cell imaging, I characterized, for the first time in Arabidopsis thaliana, the meiotic RPMs during prophase I in male meiocytes. Our findings revealed that A. thaliana meiotic centromeres exhibit rapid (up to 500 nm/s) and uncoordinated movements during the zygotene and pachytene stages. These movements are autonomous, not driven by global nuclear rotation, and remain unaffected by mutations modifying synapsis progression, chromosome structure, or recombination. I also identified several regulators of these RPMs. They are located in the NE, and form a meiotic LINC (Linker of Nucleoskeleton and Cytoskeleton) complex together with its associated kinesin-motor protein, PSS1.Through live imaging and 3D immunolocalization, I analyzed the structural changes occurring in the NE during prophase I. I showed that the PSS1-LINC complex exhibits polarization in the NE and focal agglomerations at telomere attachment points. I showed that the PSS1-LINC complex promotes telomere attachment and clustering at the NE. In mutants lacking the PSS1-LINC complex, these processes, along with centromere movement, were disrupted, leading to defects in synapsis and recombination. This suggests that meiotic RPMs play a conserved role in ensuring proper homologous pairing and recombination during prophase I in A. thaliana.