Thèse
Année : 2023
Résumé
Transposable elements (TEs) are mobile DNA sequences found in the genomes of almost all organisms. Uncontrolled activity of TEs can pose significant risks to the integrity and stability of an organism's genome and its survivability, and nearly all organisms have developed mechanisms to defend themselves against TE invasions. In most metazoans, a class of small RNA known as PIWI-interacting RNAs (piRNAs) targets and silences TEs. piRNAs originate from specific genomic loci known as piRNA clusters. TEs which transpose into piRNA clusters can act as regulatory alleles for all other TE copies of the same family. In this manner, piRNA clusters can be considered as traps for invasive elements, defining a regulation theory known as the "trap" mode. Past studies have investigated the trap model and confirmed its capacity to explain the dynamics of TEs in populations. However, we lack an analytical treatment of the trap model, and how it differs from past models describing TE regulation remains unknown. This thesis delivers a mathematical and numerical treatment of the trap model under various assumptions. It shows significant differences between TE dynamics under traditional models vs. the trap model. TEs are also implicated in horizontal transfers between species, as multiple reports have found shared TEs between unrelated species, suggesting that not only TEs can mobilize in genomes but also cross the species barrier to jump between distant species. The thesis considers the possibility that the exposure to TEs from various families may confer to piRNA clusters a role in an adaptive genomic immune system against new horizontally-transfered elements. By simulating the simultaneous invasion of two related TE families in the same population, I show that the conditions in which piRNA from one family can cross-regulate efficiently other TEs are quite restrictive. I also investigated the presence of piRNA cross-regulation in TEs shared between the Drosophilidae family, and showed that piRNAs generated by Drosophila melanogaster could not regulate most TEs from the Drosophilida, beyond those from very close species. I have also shown that TE insertions in piRNA clusters do not prevent subsequent TE bursts in Drosophila melanogaster, dismissing the “genome immunity” hypothesis as a general and widespread control system against TE horizontal transfers. This thesis adds to our understanding of the trap model as a complex, stochastic regulation model that can control TE invasions. However, It also questions the efficacy of piRNA machinery as an infallible guardian of the genome, suggesting that the trap model might just be a small part of a complex machinery surrounding TEs and TE defenses.
Les éléments transposables (ET) sont des séquences d'ADN mobiles trouvées dans les génomes de presque tous les organismes. L'activité incontrôlée des ET peut poser des risques importants pour l'intégrité et la stabilité du génome d'une espèce et sa capacité de survie, et presque tous les organismes ont développé des mécanismes pour se défendre contre les invasions de ces éléments. Dans la plupart des métazoaires, une classe de petits ARN connus sous le nom d'ARN interagissant avec PIWI (piARN) cible et empêche l’expression des ET. Les piARN proviennent de locus génomiques spécifiques appelés clusters de piARN. Les copies d’ET qui ont transposé dans un de ces clusters peuvent agir comme des allèles régulateurs pour toutes les autres copies de la même famille. De cette manière, les clusters de piRNA agissent comme des pièges à éléments transposables, formant une théorie de la régulation des ET connu sous de nom de “modèle piège”. Des études antérieures ont étudié ce “modèle piège” et confirmé sa capacité à réguler les éléments envahissants le génome d’une population. Cependant, nous manquons d'un traitement analytique du modèle piège et de la façon dont il diffère des modèles antérieurs décrivant la régulation des éléments transposables. Cette thèse propose un traitement mathématique et numérique du modèle piège, sous diverses hypothèses. Il montre des différences significatives entre la dynamique des ET par rapport aux modèles traditionnels. Les ET sont également impliqués dans les transferts horizontaux entre espèces, car plusieurs études ont trouvé des ET partagés entre des espèces non apparentées, suggérant que non seulement les ET peuvent transposer et s’amplifier dans le génome, mais aussi traverser la barrière des espèces pour sauter entre espèces éloignées. La thèse examine la possibilité que des clusters de piARN agissent comme un système immunitaire adaptatif pour le génome contre les ET. En particulier, l’hypothèse selon laquelle une exposition passée à des familles d’ET pourrait fournir une immunité contre de nouvelles invasions sera examinée. En simulant une invasion simultanée de deux familles d’ET apparentés dans la même population, j’ai pu montrer que ce n'est que dans des conditions très spécifiques que les piARN d'une famille peuvent réguler et contrôler l'invasion de l'autre famille. J'ai également étudié l’influence de la régulation croisée des piARN dans les ET partagés entre la famille des Drosophilidae. J'ai montré que les piARN générés par Drosophila melanogaster ne pouvaient pas réguler la plupart des ET des autres espèces de Drosophilidae, à l'exception de ceux des espèces proches. J’ai également montré que les insertions d’ET dans les piARN n'empêchent pas l'activité ultérieure chez Drosophila melanogaster. Cette thèse ajoute à notre compréhension du modèle piège en tant que modèle de régulation complexe qui peut contrôler les invasions des éléments transposables. Cependant, il remet également en question l'efficacité de la machinerie piRNA en tant que gardien infaillible du génome, suggérant que le modèle piège pourrait n'être qu'une petite partie d'une machinerie complexe entourant les ET et les défenses contre leur activité.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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Dates et versions
- HAL Id : tel-04500395 , version 1
Citer
Siddharth Singh Tomar. Dynamics of Transposable Elements Under Regulation By piRNA. Populations and Evolution [q-bio.PE]. Université Paris-Saclay, 2023. English. ⟨NNT : 2023UPASL088⟩. ⟨tel-04500395⟩
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