Diversité et histoire évolutive de l’ADN alpha satellite chez les Cercopithèques

Diversity and evolutionary history of alpha satellite DNA in Cercopithecini

• Auteur / Autrice : Lauriane Cacheux
• Direction : Christophe Escudé, Christiane Denys
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie moléculaire - Génomique évolutive
• Date : Soutenance le 15/11/2016
• Etablissement(s) : Paris, Muséum national d'histoire naturelle
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la nature et de l'Homme - Évolution et écologie (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de systématique, évolution, biodiversité (Paris ; 2009-....) - Laboratoire de structure et instabilité des génomes (Paris) - Institut de Systématique, Evolution, Biodiversité (ISYEB) - Structure et Instabilité des Génomes (STRING)
• Jury : Président / Présidente : Martine Yerle-Bouissou
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Martine Yerle-Bouissou, Elena Giulotto, Éric Rivals, Romain Koszul
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Elena Giulotto, Éric Rivals

Mots clés

Mots clés contrôlés

Primates

Génétique animale

Mots clés libres

ADN alpha satellite

Cercopithèques

Centromère

Evolution des génomes

Alpha satellite DNA

Cercopithecini

Centromere

Genome evolution

Résumé

Les régions centromériques reposent, chez les Primates, sur une famille de séquences répétées en tandem appelée l'ADN alpha satellite. Les monomères de cet ADN (≈170 pb) se sont diversifiés au cours de l'évolution, formant des familles de séquences aux profils d'organisation et distribution variés. La diversité des alphas satellites chez les primates non-humains reste cependant peu caractérisée, et la compréhension de la dynamique évolutive de cet ADN nécessite son intégration dans de plus larges analyses comparatives. Les Cercopithèques, qui présentent une évolution chromosomique originale par fissions et émergences de nouveaux centromères, apparaissent comme des modèles d'étude prometteurs.Nous avons appliqué une nouvelle technologie de séquençage à des monomères et dimères d'alpha satellites, isolés à partir des génomes de Cercopithecus solatus (2n = 60) et C. pogonias (2n = 72). Ces deux espèces appartiennent à des lignées primaires distinctes au sein des Cercopithèques, et ont divergé l'une de l'autre il y a plusieurs millions d'années. L'analyse computationnelle des séquences collectées a permis la caractérisation de six familles d'alpha satellites, dont quatre sont partagées entre espèces et deux ne sont retrouvées que chez C. pogonias. Au moins trois familles seraient impliquées dans des répétitions d'ordre supérieur, profil d'organisation jusque-là inconnu dans l'ADN alpha satellite des Cercopithèques. L'hybridation in situ en fluorescence des familles identifiées, réalisée grâce à des sondes oligonucléotidiques hautement discriminantes, a permis de visualiser leur distribution sur les chromosomes de C. solatus et C. pogonias. Certaines de ces familles se distribuent différentiellement entre chromosomes, révélant l'existence d'une diversité interchromosomique de l'ADN alpha satellite chez les singes de l'Ancien Monde. Leurs positions sur les régions centromériques vont en faveur de l'hypothèse du gradient d'âge des alphas satellites, selon laquelle les familles se forment aux centromères en déplaçant les familles préexistantes vers les péricentromères. L'extension de cette analyse cytogénétique à quinze espèces et l'interprétation de ses résultats à la lumière d'une phylogénie moléculaire, nouvellement reconstruite, nous ont permis de proposer un scénario évolutif pour l'ADN alpha satellite chez les Cercopithèques. Celui-ci apparaît évoluer de manière concertée avec les chromosomes, se diversifiant et se déplaçant sur les régions centromériques à mesure que ces derniers se fissionnent et voient l'émergence de nouveaux centromères. Ces travaux ont enfin apporté des informations nouvelles quant aux relations de parenté entre Cercopithèques, invitant à une intégration de l'ADN alpha satellite dans l'étude de l'histoire évolutive des Primates. L'approche méthodologique mise au point a permis de caractériser la diversité et de comprendre l'évolution de l'ADN alpha satellite chez les Cercopithèques. Elle pourra être appliquée à l'étude de ces séquences particulières chez d'autres primates, ainsi qu'à l'étude de différents satellites chez des espèces primates comme non-primates.

Alpha satellite DNA is the main family of tandemly repeated sequences lying in primate centromere regions. Alpha satellite monomers (≈170 bp) diversified during the course of evolution, forming distinct families of alpha satellite sequences that exhibit specific organizational and distribution patterns. The limited amount of studies concerning non-human primates is a restriction to the understanding of alpha satellite evolutionary dynamics, which calls for the integration of this element into comparative studies. Cercopithecini, which display an unusual chromosomal evolution by multiple fissions and new centromere formations, constitute a promising study model.We carried out next generation sequencing of alpha satellite monomers and dimers isolated from the Cercopithecus solatus (2n = 60) and C. pogonias (2n = 72) genomes. These species belong to different primary lineages within the Cercopithecini tribe and diverged from each other several million years ago. Computational tools were used to analyze the collected sequences and characterize six alpha satellite families, four of them being shared between species and two being limited to C. pogonias. At least three families belong to higher order repeats, an organizational pattern that had never been observed in Cercopithecini. The fluorescence in situ hybridization of each family, performed with highly discriminant oligonucleotide probes, showed their distribution on C. solatus and C. pogonias chromosomes. Some of them distribute on distinct sets of chromosomes, disclosing the existence of alpha satellite interchromosomal diversity in Old World monkeys. Their position along centromeric regions is largely in accordance with the age-gradient hypothesis, according to which new families expand at centromere, thereby splitting and displacing older families toward pericentromeres. The extension of this analysis to fifteen species, combined to a newly reconstructed molecular phylogeny, allowed us to propose an evolutionary scenario for alpha satellite DNA in Cercopithecini. Alpha satellite DNA diversification and displacement on centromere regions appear intimately connected to chromosome rearrangement dynamics, including new centromere formations, which suggests that centromeres and chromosomes evolve in a concerted manner. Finally, this work provided information about Cercopithecini relationships and thus encourages the integration of alpha satellite DNA into the study of primate evolutionary history.Our new methodological approach allowed deciphering alpha satellite diversity and dynamics in Cercopithecini. This framework could be used to study alpha satellite DNA in other primates, and be applied to different satellites in primates as in non-primate species.