Créé(e) 22/11/2019 Mis à jour 06/12/2019
11 déc
2019
10h30
Station Biologique de Roscoff - Salle de conférence
Sex determination and differentiation in the brown algae
Doctorant(e)

Josselin GUENO

Directeur de thèse

Susana Coelho

Membres du jury:

Dr. Gareth Pearson, Rapporteur,  Centre of Marine Sciences (CCMAR), Universidade do Algarve

Dr. Yann Guiguen, Rapporteur,  INRA Rennes

Dr. Leila Tirichine, Examinatrice,  Université de Nantes

Dr Frédérique Le Roux, Présidente du jury,  Station biologique de Roscoff

Dr. Susana M. Coelho, Directrice de thèse, Station biologique de Roscoff

Dr. J. Mark Cock, Codirecteur de thèse,  Station biologique de Roscoff

Résumé:

Chez de nombreux eucaryotes, le sexe est déterminé génétiquement par des chromosomes sexuels tels que XY, ZW et U/V. Les études sur la détermination du sexe se sont principalement concentrées sur les systèmes XY et ZW présents chez les mammifères et les oiseaux respectivement, et très peu de connaissances existent sur les systèmes UV qui sont communément retrouvés chez les organismes tels que les mousses et les algues. Chez de nombreuses algues brunes, le sexe est déterminé génétiquement par les chromosomes U et V, plus précisément par la présence de régions spécifiques U (femelles) ou V (mâles) sur ces chromosomes. Un gène candidat pour la détermination du sexe mâle a été découvert dans la région spécifique du chromosome V. Ce gène appartient à la famille des gènes codant pour les protéines à domaine HMG, qui intervient notamment dans la détermination du sexe chez les mammifères et les champignons. Bien que la détermination du sexe soit déclenchée par un gène présent sur les chromosomes sexuels, la différenciation sexuelle est principalement déterminée par l'expression de gènes sexuellement biaisés au niveau des autosomes, qui sont donc présents chez les mâles et les femelles, mais dont le niveau d’expression diffère entre les deux sexes. Le but de ma thèse était d’améliorer notre compréhension des mécanismes qui sous-tendent la détermination et la différenciation du sexe chez les algues brunes. J'ai étudié la protéine HMG liée à la région spécifique mâles chez Ectocarpus, à la fois au niveau des protéines capables d'interagir avec elle, en utilisant une méthode de double hybride de levure en banque, mais aussi au niveau de ses sites de liaison à l'ADN en utilisant la technique de DAP-seq. Ainsi, j'ai trouvé une séquence consensus de liaison à l'ADN putative qui doit être vérifiée à l'aide d'approches complémentaires. Par ailleurs, afin de comprendre comment les programmes de développement sexuel sont établis et régulés chez les algues brunes, j'ai examiné les paysages chromatiniens entre les deux sexes à différentes échelles que ce soit au niveau du génome, au niveau chromosomique et au niveau des gènes sexuellement biaisés par une méthode ChIP-seq. De plus, j'ai étudié des lignées variantes qui sont altérées dans la mise en place de leurs programmes de développement sexuel. Ainsi, j'ai trouvé un lien significatif entre les niveaux d'expression des gènes et les profils de chromatine entre les deux sexes. De plus, le remodelage de la chromatine au niveau des gènes sexuellement biaisés chez les mâles semble être beaucoup plus dynamique que chez les femelles, ce qui est corrélé avec une dynamique similaire de la modification du niveau d'expression des gènes sexuellement biaisés chez les mâles par rapport aux femelles. Les profils de la chromatine des chromosomes sexuels sont très différents de ceux des autosomes et les régions U et V spécifiques ont des profils épigénétiques contrastants, ce qui suggère que l'expression génétique des chromosomes sexuels U et V est peut-être régulée par différents processus épigénétiques que ceux qui régulent l'expression des gènes au niveau des autosomes.
Enfin, l'utilisation de variants d'algues brunes Macrocystis nous a aidés à comprendre le rôle des gènes liés à la détermination et à la différentiation sexuelle dans le déclenchement des programmes de développement masculin et féminin. En effet, l'étude d'une lignée variante ayant un chromosome V mâle, mais présentant des caractères féminins (avec une inversion sexuelle partielle), nous a montré que le programme de développement féminin nécessite à la fois l'activation des gènes sexuellement biaisés féminin et la répression des gènes sexuellement biaisés masculin. Par ailleurs, la présence d’une inversion sexuelle partielle souligne que le chromosome U est crucial pour la mise en place d’une femelle pleinement fonctionnelle.

Abstract:

In many eukaryotes, sex is genetically determined by sex chromosomes such as XY, ZW and U/V. Studies on sex determination have mainly focused on XY and ZW systems that are present in mammals and birds respectively, and very few knowledges exists on UV systems, very common in organisms such as mosses and algae. In many brown algae, sex is genetically determined by the U and V chromosomes, more precisely by the presence of U (female) or V (male)-specific regions on these chromosomes. A candidate gene for male sex determination has been discovered at the V (male)-specific region. This gene belongs to the HMG-domain protein coding gene family, that is involved in gender determination in mammals and fungi. Although sex determination is triggered by a gene present on the sex chromosomes, sexual differentiation is mainly driven by autosomal sex-biased gene expression, which are therefore present in both males and females. My thesis’s goal was to increase our understanding of the mechanisms underlying sex determination and differentiation in brown algae. I studied the HMG protein linked to the (male)-specific regions in Ectocarpus, both at the level of proteins that are able to interact with it, by employing a yeast two hybrid library method, but also at the DNA binding sites using a DAP-seq technique. I found a consensus sequence of putative DNA binding that now needs to be further verified using complementary approaches.
In order to understand how sex-specific developmental programs are established and regulated in the brown algae, I examined the sex- and chromosome-specific chromatin landscapes by a ChIP-seq method, and explored variant lines that are impaired in the expression of their sex-specific developmental programs. I found a significant link between gene expression levels and chromatin profiles between the two sexes. Moreover, chromatin remodelling at the level of sex biased genes in males appears to be much more dynamic than in females, which is correlated with a similar dynamic gene expression level modification for sex-biased genes in males compared with females. chromatin profiles in sex chromosomes are very different from those in autosomes and, the specific U and V regions have contrasting epigenetic profiles, suggesting that gene expression in sex chromosomes U and V can be regulated by different epigenetic processes than autosomal gene expression. Finally, the use of the variant brown algal strains Macrocystis has helped us to understand the role of sex-linked genes and autosomal gene expression in the initiation of the male and female developmental programs. Indeed, the study of a variant line having a male V chromosome, but showing feminized characters (partially sex-reversed), showed us that the female development program requires both the activation of female-biased genes and repression of male-biased genes, but also underlined that the U chromosome is crucial to build a fully functional female.