De par leur diversité de mécanismes de déterminisme du sexe et de chromosomes sexuels, les poissons téléostéens représentent d’excellents modèles pour mieux comprendre les bases moléculaires et évolutives du contrôle du développement sexuel chez les vertébrés. Grâce à l’analyse de chromosomes artificiels bactériens couvrant les chromosomes sexuels du platy Xiphophorus maculatus, trois copies d’un nouveau gène nommé teximY ont été découvertes dans la région de déterminisme du sexe du chromosome Y mais pas du chromosome X. Un gène texim1 très apparenté à teximY ainsi que trois gènes plus divergents ont été identifiés sur les autosomes. Les gènes teximY sont préférentiellement exprimés dans les testicules, au niveau des cellules germinales lors des étapes tardives de la spermatogénèse, alors que texim1 est également transcrit dans les gonades femelles. Des gènes texim ont été détectés chez d'autres poissons téléostéens mais pas chez le poisson-zèbre, ainsi que chez des céphalocordés, des urocordés et des échinodermes mais pas chez les tétrapodes. Les gènes texim codent pour des estérases putatives à domaine SGNH apparentées à des protéines cellulaires procaryotes et eucaryotes ou codées par des retrotransposons animaux. Les gènes texim sont associés à des transposons Helitron chez les poissons mais pas chez les autres animaux, suggérant capture et mobilisation du gène ancestral texim par un transposon à la base de la radiation des téléostéens. TeximY pourrait jouer un rôle dans la transposition du transposon Helitron dans la lignée germinale mâle, ou correspondre à un gène de spermatogenèse mobilisé par le transposon Helitron sur les nouveaux chromosomes sexuels de poissons. / The molecular and evolutionary basis of sex determination in vertebrates needs to be unveiled via comparison of different systems. Fish exhibit hypervariability of sex determination mechanisms. Thanks to the analysis of the Bacterial Artificial Chromosome (BAC) library covering the sex chromosomes of the platyfish Xiphophorus maculatus (Rio Jamapa population, XX /XY), three copies of a new gene have been identified in the sex-determining region of the Y but not the X chromosome, and named teximY. Four autosomal counterparts of teximY have been also detected in the genome of the platyfish with one of them, texim1 presenting 95% of cDNA sequence identity with the Y-linked copies. RT-qPCR expression analyses have been performed for each copy in male and female tissues. Two Y-linked teximY copies were preferentially expressed in testis, whereas the autosomal copy texim1 showed preferential expression in male and female gonads. In situ hybridizations with a teximY/1 probe revealed expression in late spermatids and spermatozeugmata. Texim sequences were detected in several fish species, but not in zebrafish, as well as in cephalochordates, urochordates and sea echinoderms but not in tetrapods. Predicted Texim proteins are related to proteins from different origins. Interestingly, texim genes are associated with a Helitron transposon in fish but neither in cephalochordates nor in echinoderms, suggesting capture and mobilization of an ancestral texim gene at the base of the bony fish lineage. TeximY proteins may play a role in Helitron transposition in the male germ line in fish, or texim genes are spermatogenesis genes mobilized and spread by transposable elements in fish genomes.

Thèse doctorat : Aspects moléculaires et Cellulaires de la Biologie : Strasbourg 1 : 2006. / Thèse soutenue sur un ensemble de travaux. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 11 p.

Les téléostes, le clade possédant le plus d’espèces parmi les vertébrés, emploient une saisissante diversité de mécanismes de détermination du sexe, incluant des mécanismes génétiques et environnementaux. Des études récentes ont identifié de nombreux nouveaux régulateurs génétiquesdu développement sexual des poissons et ont introduit la notion de “terrain de jeux évolutif”. Le but de ce projet de thèse est de donner une vue complète des dynamiques évolutives des déterminants du sexe dans un ordre de téléostes, les Esociformes. Dans notre espèce focale, Esox lucius, nous avons identifié une duplication d’un membre de la famille des TgfB – une famille qui a émergé en tant que fondamentale dans la régulation du sexe chez les téléostes – comme MSD (gène controlant la détermination du sexe). Nous avons obtenu des preuves fonctionnelles du rôle de ce gène en tant que MSD, de son interaction avec des facteurs environnementaux, ainsi que des nouvelles informations sur les processus évolutifsCe gène est perdu dans une population de la même espèce en Amérique du Nord, mais il est conservé parmi les autres Esociformes. En parallèle, d’autres systèmes de détermination du sexe ont été identifiés dans des espèces proches. De plus, dans des clades plus distants comme Umbra et Dallia, le MSD d’Esox n’est pas présent, et d’autres mécanismes implicants de nouveaux MSD ont été identifiés, complefixiant l’histoire évolutive des MSD dans ce groupe, qui reflète la plasticité génétique observée dans les téléostes en général. / Teleost fishes, the most species-rich clade among vertebrates, employs an astonishing diversity of sex-determining (SD) mechanisms, including environmental and genetic systems. Recent studies identified many new genetic regulators in fish sexual development that lead to the notion of an 'evolutionary playground'.This thesis project aims to provide a complete picture of the evolutionary dynamic of SD systems within a small order of teleost, Esociformes. In our focal species Esox lucius, we idenWhile the gene is lost in another population of the same species rapidly possibly during post-glacial recolonization process, it is well conserved among different species. Meanwhile, additional transition of SD system have also been identified in a sister Esox species. Moreover, in the most distant genera Dallia and Umbra, the Esox master SD gene is not present and we found different SD mechanisms with novel SD genes that adds additional layers of complexity to this group, which mirrors the observed high genetic plasticity in teleost SD

Bien que les sexes séparés (dioecie) soient plus rares que chez les animaux, ∼15 600 espèces dioiques ont évolué chez les angiospermes (∼6% de l'ensemble des espèces). La manière dont le sexe de ces plantes est contrôlé est une question centrale de la biologie végétale, mais également de l'agronomie car de nombreuses plantes cultivées sont des plantes dioiques (∼20% des espèces cultivées) mais dont un seul sexe (généralement les femelles) présente un intérêt agronomique. Pourtant, seulement trois gènes du déterminisme du sexe ont été identifiés à ce jour chez les plantes dioiques, chez le kaki, l'asperge et la fraise. La dioecie a vraisemblablement évolué plusieurs fois chez les angiospermes et il est possible que les gènes du déterminisme du sexe soient divers. Deux voies principales d'évolution vers la dioecie ont été identifiées. Les deux partent d'une espèce dont les fleurs sont hermaphrodites, le régime de reproduction ancestral chez les angiospermes, puis passent soit par un intermédiaire monoique (espèce avec des fleurs unisexuées mâles et femelles sur le même individu), soit par un intermédiaire gynodioique (espèce avec des femelles et des individus avec des fleurs hermaphrodites). Cette thèse a pour objet la comparaison de deux systèmes de plantes représentant ces deux voies. Chez Coccinia grandis, une cucurbitacée ayant également des chromosomes XY, l'évolution de la dioecie est passée par la monoecie. Chez Silene latifolia, une plante dioique bien étudiée avec des chromosomes sexuels XY, l'évolution de la dioecie s'est faite à partir de la gynodioecie. Trois gènes contrôlant la monoecie ont été identifiés chez le melon et il a été proposé que ces gènes soient les gènes du déterminisme dans les espèces dioiques proches du melon comme C. grandis. Nous avons donc opté pour une approche gène candidat dans cette espèce. Très peu de ressources génétiques et génomiques sont disponibles chez C. grandis, et nous avons choisi d'utiliser SEXDETector, une méthode probabiliste qui utilise des données RNA-seq pour génotyper des parents et leurs descendants, et qui infère les gènes lies au sexe sans génome de référence. Cette méthode m'a permis d'identifier 1 364 gènes présents sur les chromosomes sexuels de C. grandis. J'ai établi que les gènes differentiellement exprimés entre les sexes étaient plus abondants sur chromosomes sexuels que sur les autosomes. J'ai également observé des marques de la dégénérescence du chromosome Y chez cette plante, comme des diminutions d'expression ou des pertes de gènes. Enfin, mes résultats démontrent la présence de compensation de dosage chez C. grandis. Le test des gènes candidats est en cours. Chez S. latifolia, 3 grandes régions liées au déterminisme ont déjà été identifiées sur le chromosome Y. Pour identifier les gènes du déterminisme, nous avons choisi de séquencer ce chromosome. Le séquençage des chromosomes Y est encore un défi pour la génomique. La phase d'assemblage est très difficile à cause des répétitions présentes en grand nombre sur ces chromosomes. En conséquence, les séquences complètes de chromosome Y sont très rares, et principalement disponibles chez les animaux. Afin de minimiser les problèmes d'assemblage dus aux répétitions, nous avons utilisé des techniques dites de 3eme génération (avec de grandes lectures). J'ai moi-même généré des données MinION (Oxford Nanopore) à partir d'ADN de chromosome Y. L'assemblage a été réalisé en combinant des données Illumina, PacBio et MinION. Notre assemblage final fait une taille de 563 Mb pour un N50 de 6 114 pb, et contient 16 219 gènes annotés de novo / Although rarer than in animals, separate sexes (dioecy) have evolved in ∼15,600 angiosperm species (∼6% of all angiosperm species). How sex is controlled is a central question in plant sciences and also in agronomy as many crops are dioecious (∼20% of crops) with only one useful sex (usually female). Only three master sex-determining genes have been identified in dioecious plants so far, namely in persimmons, asparagus and strawberry. Dioecy likely evolved several times independently in angiosperms, suggesting that sex-determining genes are of diverse origins. Hermaphroditism is the predicted ancestral state of the angiosperm flower. Two main pathways have been identified that explain the evolution of hermaphroditism towards dioecy: either through a monoecious state (with both unisexual male and female flowers on the same individual) or a gynodioecious state (with females and individuals having hermaphroditic flowers). My aim is to compare two plant systems representing each one of these two pathways. In Coccinia grandis, a Cucurbitaceae with an XY chromosome system, dioecy evolved through monoecy. In Silene latifolia, a well-studied dioecious plant with XY sex chromosomes, dioecy evolved through gynodioecy. Three genes controlling monoecy have been identified in melon, and it was suggested that these genes act as sex-determining genes in closely related dioecious species such as C. grandis. I therefore chose a candidate gene approach in this species. Very few genetic and genomic data are available in C. grandis, and we chose to use SEX-DETector, a probabilistic method that uses RNA-seq data to genotype parents and their offspring, and infers sex-linked genes with no need for a reference genome. This method allowed me to identify 1,364 genes that are present on the sex chromosomes of C. grandis. I found that the sex chromosomes are enriched in sex-biasedgenes when compared to autosomes and I characterized Y chromosome degeneration in terms of decreased expression and gene loss. Finally, I showed that dosage compensation occurs in C. grandis. Testing for the three candidates genes is ongoing. In S. latifolia 3 regions involved in sex determination have already been identified on the Y chromosome. We chose to sequence this chromosome to identify sex-determining genes. The sequencing of Y chromosomes remains one of the greatest challenges of current genomics. The assembly step is very difficult because of their highly repeated content. Consequently, fully sequenced Y chromosomes are rare and mainly available for research in animals. To overcome the difficulty of assembling reads with many repeats, I used third generation sequencing (TGS, producing long reads). I produced a dataset using the Oxford Nanopore MinION sequencer with Y chromosome DNA. Assembling was performed using a combination of Illumina, MinION and PacBio sequencing data. The final assembly had a total length of 563 Mb with a scaffold N50 of 6,114 bp, and contained 16,219 de novo annotated genes

Malgré leur importance dans le déterminisme du sexe chez de nombreux organismes, les chromosomes sexuels ont été étudiés chez quelques espèces seulement du fait du manque de séquences disponibles. En effet, le séquençage et l'assemblage des chromosomes sexuels est rendu très difficile par leurs abondantes séquences répétées. Durant cette thèse, une méthode probabiliste a été développée pour inférer les gènes liés au sexe à partir de données RNA-seq chez une famille. Des tests de cette méthode appelée SEX-DETector sur des données réelles et simulées suggèrent qu'elle fonctionnera sur une grande variété de systèmes. La méthode a inféré ∼1300 gènes liés au sexe chez Silene latifolia, une plante dioïque qui possède des chromosomes sexuels XY pour lesquels quelques données de séquence sont disponibles (dont certaines obtenues lors de cette thèse par séquençage de BACs). Les gènes du Y sont moins exprimés que ceux du X chez S. latifolia, mais le statut de la compensation de dosage (un mécanisme qui corrige la sous-expression des gènes liés au sexe chez les males) est encore controversé. L'analyse des nouveaux gènes liés au sexe inférés par SEX-DETector a permis de confirmer la compensation de dosage chez S. latifolia, qui est effectuée par la surexpression du X maternel, possiblement via un mécanisme epigénétique d'empreinte. Les données ont également été utilisées pour étudier l'évolution de l'expression biaisée pour le sexe chez S. latifolia et ont révélé que la majorité des changements de niveaux d'expression ont eu lieu chez les femelles. Les implications de nos résultats concernant l'évolution de la dioécie et des chromosomes sexuels sont discutés / In many organisms, sexes are determined by sex chromosomes. However, studies have been greatly limited by the paucity of sex chromosome sequences. Indeed, sequencing and assembling sex chromosomes are very challenging due to the large quantity of repetitive DNA that these chromosomes comprise. In this PhD, a probabilistic method was developed to infer sex-linked genes from RNA-seq data of a family (parents and progeny of each sex). The method, called SEX-DETector, was tested on simulated and real data and should performwell on a wide variety of sex chomosome systems. This new method was applied to Silene latifolia, a dioecious plant with XY system, for which partial sequence data on sex chromosomes are available (some of which obtained during this PhD by BAC sequencing), SEX-DETector returned ∼1300 sex-linked genes. In S. latifolia, Y genes are less expressed than their X counterparts. Dosage compensation (a mechanism that corrects for reduced dosage due to Y degeneration in males) was previously tested in S. latifolia, but different studies returned conflicting results. The analysis of the new set of sex-linked genes confirmed the existence of dosage compensation in S. latifolia, which seems to be achieved by the hyperexpression of the maternal X chromosome in males. An imprinting mechanism might underlie dosage compensation in that species. The RNAseq datawere also used to study the evolution of differential expression among sexes in S. latifolia, and revealed that in this species most changes have affected the female sex. The implications of our results for the evolution of dioecy and sex chromosomes in plants are discussed

Les Oniscidea présentent une diversité remarquable de systèmes chromosomiques de déterminisme du sexe (hétérogamétie mâle XX/XY ou hétérogamétie femelle ZW/ZZ), dont l'origine reste encore largement inconnue à ce jour. Il a été proposé que ces différents systèmes puissent être le produit de la coévolution entre les isopodes terrestres et Wolbachia, une bactérie endosymbiotique féminisante transmise verticalement par voie ovocytaire. Dans le but de caractériser l'impact de l'endosymbiose à Wolbachia sur l'évolution des mécanismes de déterminisme du sexe, nous avons utilisé une combinaison d'approches génomique, transcriptomique et d'expression de gènes. Tout d'abord, le génome de l'espèce Armadillidium nasatum (caractérisée par un système XX/XY) a été généré et ensuite annoté structurellement et fonctionnellement. A partir de ce génome, des approches de génomique comparatives ont permis la caractérisation de séquences liées au chromosomes Y, afin de mieux comprendre les processus impliqués dans la dégénérescence des gonosomes. Afin d'identifier des effecteurs liés au déterminisme ou à la différenciation du sexe, une approche par gènes candidats a permis de caractériser des gènes à domaines DM, connus pour être impliqués dans le déterminisme du sexe de nombreuses espèces, et d'en mesurer l'expression au cours du temps. Enfin, une phylogénie des Oniscidea a été réalisée en parallèle d'expériences de réversion de sexe afin d'estimer le nombre et la direction des transitions de systèmes d'hétérogamétie au cours de l'évolution des isopodes terrestres. Ces travaux contribuent à illustrer l'impact de l'endosymbiose sur l'évolution des mécanismes de déterminisme du sexe de l'hôte. / Oniscidea show a remarkable diversity of chromosomal sex determination systems (male heterogamety XX/XY or female heterogamety ZW / ZZ). However, the origin of such diversity is still largely unknown to date. It has been proposed that these different systems may be the product of the coevolution between terrestrial isopods and Wolbachia, a feminizing endosymbiotic bacteria transmitted vertically through oocytes. In order to characterize the impact of Wolbachia endosymbiosis on the evolution of sex determination mechanisms, we used a combination of genomic, transcriptomic and gene expression approaches. First, the genome of the species Armadillidium nasatum (characterized by an XX/XY system) was generated and then structurally and functionally annotated. From this genome, a comparative genomic approach allowed us to characterize sequences Y-linked, in order to better understand the processes involved in the sex chromosome degeneration. In order to identify effectors potentially related to sex determination or differentiation, a candidate gene approach has been used to characterize DM-domain genes, known to be involved in the sex determination pathways of many species, and then to measure their expression over development. Finally, a Oniscidea phylogeny was generated in parallel with sex-reversal experiments in order to characterize the number and the direction of the transitions of heterogenetic systems during the terrestrial isopods evolution. This work emphasize the impact of endosymbiosis on the evolution of host sex determination mechanisms.

Parmi plus de 20000 espèces de trématodes hermaphrodites, les Schistosomatidae ont un statut particulier car ils sont gonochoriques (i.e. deux sexes séparés). Le gonochorisme chez ces espèces, et leur dimorphisme sexuel, seraient en fait une stratégie d’adaptation à leur habitat : le système veineux des vertébrés à sang chaud, dont l’Homme. Malgré un mode chromosomique de déterminisme du sexe (i.e. hétérogamétie femelle ZW), les individus mâles et femelles demeurent phénotypiquement identiques durant tous les stades larvaires de leur cycle de vie hétéroxène. La différenciation sexuelle n’a lieu qu’après l’infestation de leur hôte définitif. Dans ce travail, nous nous sommes intéressés aux facteurs moléculaires déclenchant cette différenciation chez Schistosoma mansoni. Nous avons établi le profil d’expression sexe-dépendant de gènes conservés de la cascade de détermination/différenciation chez les animaux : les DMRT (Double-sex and Male-abnormal-3 Related Transcription Factors). Nous avons par ailleurs généré un transcriptome comparatif mâle/femelle (RNA-seq) sur 5 stades de développement in vivo, dont 3 stades « schistosomules » inédits. Cela nous a permis d’identifier de potentiels gènes « clés » de la différenciation sexuelle et de souligner l’importance de l’interaction hôte-parasite. Enfin, par la combinaison de cette approche transcriptomique et d’une analyse épigénomique (ChIP-seq), nous avons montré une dynamique de la compensation de dose génique au cours du cycle de vie chez les femelles ainsi que la mise en place d’une stratégie transcriptionnelle particulière chez les mâles, optimisant leur développement dans l’hôte et ainsi, leur succès reproducteur. / Parasitic flatworms include more than 20.000 species that are mainly hermaphrodites. Among them, the hundred species of Schistosomatidae are intriguing because they are gonochoric. The acquisition of gonochorism in these species is supposed to provide genetic and functional advantages to adapt to their hosts: warm-blooded animals. Sex of schistosomes is genetically determined at the time of fertilization (i.e. ZW female heterogametic system). However, there is no phenotypic dimorphism through all the larval stages of its complex lifecycle: sexual dimorphism appears only in the definitive host. The molecular mechanisms triggering this late sexual differentiation remain unclear, and this is precisely the topic of our present work. We performed transcriptomic (RNA-Sequencing and quantitative-PCRs) and structural (ChIP-Sequencing) analyses at different stages of Schistosoma mansoni development. Here, we present data suggesting that the sexual differentiation relies on a combination of genetic and epigenetic factors. In a genetic point of view, we show a sex-associated expression of the DMRT genes (Double-sex and Mab-3 Related Transcription Factors) that are known to be involved in sex determination/differentiation through all the animal kingdom. In addition, we propose new potential sex-determining key genes and a pivotal role of host-pathogen interaction at the time of development. In a structural point of view, we highlight a dynamic status of dosage compensation in females and chromatin modifications in males. This intense remodeling reveals a specific transcriptomic strategy which optimizes male development and beyond that, schistosomes reproductive success.