Esta tese é estruturada em dois capítulos. O primeiro capítulo explora os retrotransposons com LTR (LTR-RT) em cana-de-açúcar e grande parte de seus resultados foram publicados no artigo \'\'Analysis of plant LTR-retrotransposons at the fine-scale family level reveals individual molecular patterns\'\'. Nossos resultados mostraram que as diferentes famílias de LTR-RT em cana-de-açúcar possuem estruturas e regulação distintas. O segundo capítulo desta tese visa responder a perguntas que surgiram durante a primeira metade deste trabalho, mas ao invés de focar no genoma de uma planta optamos por trabalhar com linhagem Del de LTR-RT em dez genomas de angiospermas sequenciados. Os resultados desta parte do trabalho foram submetidos para publicação no artigo intitulado \'\'Virus-like attachment sites and plastic CpG islands: landmarks of diversity in plant Del retrotransposons\'\'. Os resultados mostraram que a LTR é uma região dinâmica e importante para a evolução dos LTR-RTs. Nós especulamos que mudanças nas LTR atuem como gatilhos para a diversificação dos LTR-RTs. / This doctoral thesis is structured in two chapters. In the first chapter we explore the LTRretrotransposons (LTR-RT) in sugarcane, these results were published in an article entitled \'\'Analysis of plant LTR-etrotransposons at the fine-scale family level reveals individual molecular patterns\'\'. In this paper we show that different sugarcane LTR-RT families have distinct structure and are differentially regulated. In the second chapter we try to find answers to questions that came up in the first half of this work, but instead of focusing in one plant genome we chose to work with the Del lineage of LTR-RT in tem angiosperm sequenced genomes. These results are submitted to publication as an article entitled \'\'Virus-like attachment sites and plastic CpG islands: landmarks of diversity in plant Del retrotransposons\'\'. Our results indicate that the LTR region is dynamic and important in the evolution of LTR-retrotransposons, we speculate that it is a trigger for retrotransposon diversification.

Les rétrotransposons L1 (Long INterspersed Element-1) sont des éléments génétiques mobiles dont l'activité contribue à la dynamique du génome humain par mutagenèse insertionnelle. Les conséquences génétiques et épigénétiques d'une nouvelle insertion, et la capacité d'un L1 à être remobilisé, sont directement liées au site d’intégration dans le génome. Aussi, l’analyse des sites d’intégration des L1s est capitale pour comprendre leur impact fonctionnel - voire pathogène -, en particulier lors de la tumorigenèse ou au cours du vieillissement, et l’évolution de notre génome. Dans ce but, nous avons induit de façon expérimentale la rétrotransposition d'un élément L1 actif plasmidique dans des cellules en culture. Puis, nous avons cartographié les insertions obtenues de novo dans le génome humain grâce à une méthode de séquençage à haut-débit, appelée ATLAS-seq. Finalement, les sites pré-intégratifs identifiés par cette approche ont été analysés en relation avec un grand jeu de données publiques regroupant les caractéristiques structurales, génétiques ou épigénétiques de ces loci. Ces expériences ont révélé que les éléments L1 s’intègrent préférentiellement dans des régions de la chromatine faiblement exprimées et renfermant des activateurs faibles. Nous avons aussi trouvé plusieurs positions chromosomiques qui constituent des points chauds d'intégrations récurrentes. Nos résultats indiquent que la distribution des insertions de L1 de novo n’est pas aléatoire, que ce soit à l’échelle chromosomique ou à plus petite échelle, et ouvrent la porte à l'identification des déterminants moléculaires qui contrôlent la distribution chromosomique des L1s dans notre génome / Retrotransposons are mobile genetic elements that employ an RNA intermediate and a reverse transcription step for their replication. Long INterspersed Elements-1 (LINE-1 or L1) form the only autonomously active retrotransposon family in humans. Although most copies are defective due to the accumulation of mutations, each individual genome contains an average of 100 retrotransposition-competent L1 copies, which contribute to the dynamics of contemporary human genomes. L1 integration sites in the host genome directly determine the genetic consequences of the integration and the fate of the integrated copy. Thus, where L1 integrates in the genome, and whether this process is random, is critical to our understanding of human genome evolution, somatic genome plasticity in cancer and aging, and host-parasite interactions. To characterize L1 insertion sites, rather than studying endogenous L1 which have been subjected to evolutionary selective pressure, we induced de novo L1 retrotransposition by transfecting a plasmid-borne active L1 element into HeLa S3 cells. Then, we mapped de novo insertions in the human genome at nucleotide resolution by a dedicated deep-sequencing approach, named ATLAS-seq. Finally, de novo insertions were examined for their proximity towards a large number of genomic features. We found that L1 preferentially integrates in the lowly-expressed and weak enhancer chromatin segments. We also detected several hotspots of recurrent L1 integration. Our results indicate that the distribution of de novo L1 insertions is non-random both at local and regional scales, and pave the way to identify potential cellular factors involved in the targeting of L1 insertions

Cílem práce je seznámení se s problematikou uchovávání informace v DNA, provést rešerši na téma transpozony, bioinformatické nástroje a algoritmy, které jsou používány k jejich detekci v nasekvenovaných genomech a vytvořit tak stručný úvod do obsáhle problematiky, včetně jejího zasazení do kontextu současně probíhajícího výzkumu v dané oblasti. Na základě přehledu stávajících algoritmů a nástrojů pro detekci transpozonů je navržen a implementován nástroj pro hledání tzv. LTR transpozonů.

By contrast to their conserved mammalian counterparts, plant long interspersed nuclear elements (LINEs) are highly variable, splitting into many low-copy families. Curiously, LINE families from the retrotransposable element (RTE) clade retain a stronger sequence conservation and hence reach higher copy numbers. The cause of this RTE-typical property is not yet understood, but would help clarify why some transposable elements are removed quickly, whereas others persist in plant genomes. Here, we bring forward a detailed study of RTE LINE structure, diversity and evolution in plants. For this, we argue that the nightshade family is the ideal taxon to follow the evolutionary trajectories of RTE LINEs, given their high abundance, recent activity and partnership to non-autonomous elements. Using bioinformatic, cytogenetic and molecular approaches, we detect 4029 full-length RTE LINEs across the Solanaceae. We finely characterize and manually curate a core group of 458 full-length LINEs in allotetraploid tobacco, show an integration event after polyploidization and trace hybridization by RTE LINE composition of parental genomes. Finally, we reveal the role of the untranslated regions (UTRs) as causes for the unique RTE LINE amplification and evolution pattern in plants. On the one hand, we detected a highly conserved motif at the 30 UTR, suggesting strong selective constraints acting on the RTE terminus. On the other hand, we observed successive rounds of 50 UTR cycling, constantly rejuvenating the promoter sequences. This interplay between exchangeable promoters and conserved LINE bodies and 30 UTR likely allows RTE LINEs to persist and thrive in plant genomes.

Retrotransposons are major components of plant genomes influencing their genome size, organization and evolution. In the frame of this work, retrotransposons of the Beta vulgaris genome have been identified by molecular methods and whole genome bioinformatics approaches. Neither belonging to the rosids nor asterids, B. vulgaris (cultivated beet including sugar beet, beet root and mangold) is taxonomically placed at a key position at the root of the core eudicots, and considerably different from traditional plant model species such as thale cress or rice. Its genome has been sequenced, and annotation is under way. In order to compare different evolutionary lineages of B. vulgaris retrotransposons, long terminal repeat (LTR) and non-LTR retrotransposon family have been analyzed in detail. Full-length members have been isolated and characterized by bioinformatics, Southern and fluorescent in situ hybridization. Hallmarks of the LTR retrotransposon family Cotzilla are an additional env-like open reading frame (ORF), homogeneity of the members and the very high abundance. Most family members are evolutionarily young, and have most likely been created during recent bursts of amplification during species radiation. In contrast, the non-LTR retrotransposon family BNR has fewer copies and is much more diverged. Although the BNR ORF2 resembles previously analyzed long interspersed nuclear elements (LINEs) of the L1 clade, its ORF1 sequence differs strongly. It lacks the zinc finger domain described for plant LINEs, but contains instead an RNA recognition motif (RRM) likely to have an RNA-binding function. Database searches revealed the presence of similar LINE families in higher plant genomes such as poplar, lotus and soybean. Comparing their reverse transcriptase regions with other retrotransposons, these BNR-like LINEs form a separate group of L1 LINEs designated as BNR subclade. Availability of the B. vulgaris genome sequence allowed retrotransposon analyses on a genome-wide scale. A Hidden Markov Model-based detection algorithm has been developed in order to retrieve retrotransposon information directly from the database. Nearly 6000 B. vulgaris reverse transcriptase sequences have been isolated and classified into LTR retrotransposons of the Ty3-gypsy and Ty1-copia type, and non-LTR retrotransposons of the LINE type. As a result, a comprehensive overview of the retrotransposon spectrum of the B. vulgaris genome has been generated. Since plant LINEs have been only rarely investigated, the B. vulgaris LINE composition was studied in detail. Out of 28 described LINE clades, only members of the L1 and RTE clades have been identified. Based on a minimal shared sequence identity of 60 %, they form at least 17 L1 families and one RTE family. Full-length members of all investigated L1 families have been analyzed regarding their sequence, structure and diversity. In order to transfer the algorithm tested in B. vulgaris to other angiosperm genomes, twelve additional plant genomes have been queried for LINE reverse transcriptases. Key finding is the presence of only two LINE clades (L1 and RTE) in the analyzed genomes of higher plants. Whereas plant L1 LINEs are highly diverse and form at least seven subclades with members across species borders, RTE LINEs are extremely homogenized and constitute most likely only a single family per genome. In summary, this work’s results help to gain an understanding of the different strategies of retrotransposon evolution in plants, whereas the generated data directly contributes to the B. vulgaris genome annotation project. / Retrotransposons sind eine wesentliche Komponente von Pflanzengenomen, die sowohl die Größe und Organisation als auch die Evolution dieser Genome wesentlich beeinflussen können. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Gruppen von Retrotransposons des Beta vulgaris Genoms mittels molekularer und bioinformatischer Methoden identifiziert. Innerhalb der dikotyledonen Blütenpflanzen gehört B. vulgaris (kultivierte Rübe einschließlich Zuckerrübe, Roter Beete und Mangold) weder zu den Rosiden noch zu den Asteriden, sondern nimmt eine Schlüsselposition innerhalb der Kerneudikotyledonen ein. Somit zeigt das Rübengenom wesentliche Unterschiede zu traditionellen Modellpflanzen wie Arabidopsis thaliana oder Oryza sativa. Das Genom ist bereits sequenziert, die Annotation jedoch noch nicht abgeschlossen. Um verschiedene evolutionäre Linien von B. vulgaris Retrotransposons vergleichend zu untersuchen wurden insbesondere Long Terminal Repeat (LTR)- und Non-LTR-Retrotransposon-Familien detailliert analysiert. Vollständige Mitglieder wurden isoliert und mittels bioinformatischer Methoden, Southern- und Fluoreszenz-in situ-Hybridisierung untersucht. Die LTR-Retrotransposon-Familie Cotzilla ist durch einen zusätzlichen env-ähnlichen offenen Leserahmen (ORF), Homogenität ihrer Mitglieder und eine hohe Abundanz gekennzeichnet. Die meisten Cotzilla-Kopien sind evolutionär jung und wurden wahrscheinlich innerhalb eines kurzen Zeitraumes während der Artentstehung stark amplifiziert. Im Gegensatz zur Cotzilla-Familie besitzt die Non-LTR-Retrotransposon-Familie BNR weniger Kopien und ist wesentlich divergierter. Während der BNR-spezifische ORF2 starke Ähnlichkeiten zu anderen pflanzlichen Long Interspersed Nuclear Elements (LINEs) der L1-Klade aufweist, unterscheidet sich der BNR ORF1 von diesen sehr stark. Im Gegensatz zu bereits beschrieben pflanzlichen LINEs kodiert er kein Zinkfingermotiv, sondern substituiert dieses durch ein RNA-Erkennungsmotiv (RRM). Durch Datenbanksuche konnten BNR-ähnliche LINEs in den Genomen höherer Pflanzen wie Soja, Lotus und Pappel identifiziert werden. Ein Vergleich der entsprechenden Reversen Transkriptasen (RT) mit den RTs anderer Retrotransposons zeigt, dass die BNR-ähnlichen LINEs eine separate Gruppe innerhalb der L1 LINEs bilden. Diese wurde daher als BNR-Subklade definiert. Die Untersuchung von Retrotransposons auf Genomebene wurde durch die B. vulgaris Genomsequenz ermöglicht. Um Retrotransposon-Informationen direkt aus dem Genom zu extrahieren, wurde ein Hidden Markov Modell (HMM)-basierter Detektions-algorithmus entwickelt. Annähernd 6000 B. vulgaris Reverse Transkriptase-Sequenzen konnten identifiziert und in LTR-Retrotransposons des Ty3-gypsy- beziehungsweise des Ty1-copia-Typs und in Non-LTR-Retrotransposons des LINE-Typs klassifiziert werden. Somit wurde ein umfassender Überblick über die Bandbreite der B. vulgaris Retrotransposons arhalten. Da pflanzliche LINEs bisher nur wenig erforscht sind, wurde die B. vulgaris LINE Zusammensetzung genauer untersucht. Von 28 beschriebenen LINE-Kladen konnten nur Mitglieder der L1- und der RTE-Klade identifiziert werden. Basierend auf einer Identität von mindestens 60 % bilden die Sequenzen 17 L1 Familien und eine RTE Familie. Vollständige Mitglieder aller L1 Familien wurden hinsichtlich ihrer Sequenz, Struktur und Diversität analysiert. Um den in B. vulgaris getesteten HMM-basierten Algorithmus auf andere Angiospermengenome zu übertragen, wurden zwölf weitere Pflanzengenome auf das Vorhandensein von LINE-spezifischen Reversen Transkriptasen untersucht. Wesentlichstes Ergebnis ist der Nachweis von nur zwei LINE-Kladen (L1 und RTE) in höheren Pflanzen. Während pflanzliche L1 LINEs hochgradig divers sind und über Artgrenzen hinaus mindestens sieben Subkladen mit Vertretern verschiedener Pflanzen bilden, sind RTE LINEs extrem homogenisiert und stellen höchstwahrscheinlich nur eine einzelne Familie pro Genom einer Art dar. Zusammenfassend ermöglichen die Ergebnisse dieser Arbeit eine Erweiterung des Verständnisses der unterschiedlichen Evolutionsstrategien von Retrotransposons in Pflanzen. Zusätzlich tragen die gewonnen Daten zur Annotation des B. vulgaris Genoms bei.

L'intégrase (IN) du VII 1 1 catalyse l'insertion de l'ADN viral dans le génome de la cellule infectée en deux étapes: le 3' processing et le transfert de brins. Nous avons déterminé le mode de liaison d'inhibiteurs de l'IN (des dérivés des Styrylquinoléines) au domaine central de la protéine, en corrélation avec leur mécanisme d'action in vitro. Afin de comprendre les effets d'analogues de l'ADN viral sur l'activité de 3' processing et donc sur l'interaction séquence spécifique IN/ADN, nous avons prédit la structure et la flexibilité de nucléosides modifiés en 2' et d'analogues de l'extrémité LTR U5 de l'ADN viral.

Schistosomen verursachen die Tropenparasitose Schistosomiasis mit 250-300 Millionen infizierten Menschen weltweit. Zur Analyse von Genfunktionen, durch die wirksame Medikamente entwickelt werden könnten, wird ein System zur Herstellung transgener Schistosomen benötigt. In dieser Arbeit wurde daher versucht, ein System zur Transfektion von Schistosoma mansoni von der transienten Expression von Reportergenen ausgehend zu entwickeln. Die Funktionalität der hergestellten Plasmide zur transienten Transfektion wurde durch die Expression der Reporter Enhanced Green Fluorescent Protein (EGFP) und beta-Galatosidase unter der Kontrolle der schistosomalen Promotoren für das Calreticulin, die 28 kDa-Glutathion-S-Transferase und das 70 kDa-Hitzeschockprotein in cos7-Zellen nachgewiesen. Für den Gentransfer in S. mansoni wurden Mikroinjektion, Elektroporation und Mikroprojektilbeschuss eingesetzt. Der Mikroprojektilbeschuss erwies sich als geeignete Methode, Plasmid-DNA zur transienten Expression von EGFP und beta-Galaktosidase in adulte und larvale Stadien zu transferieren. Da die beobachtete Reportergenexpression schwach war, wurde durch den Einsatz von Discosoma Red Fluorescent Protein (DsRed) als Reportergen versucht, das Transfektionsssytem zu optimieren. Außerdem wurden die potentiellen Promotoren für das Cathepsin D und für ein Aktin durch inverse PCR aus genomischer DNA isoliert. Die Funktionalität dieser Promotoren wurde in cos7- bzw. HeLa-Zellen nachgewiesen, eine verbesserte Expression in S. mansoni dagegen wurde mit diesen zwei Promotoren und unter Einsatz von DsRed nicht erreicht. Da S. mansoni sich in vitro nicht kultivieren lässt, muss für die Etablierung eines Transfektionssystems ein in seinen Keimzellen transgenes Stadium in den Lebenszyklus eingeschleust werden. Durch Mikroprojektilbeschuss transfizierte Mirazidien (freilebende Stadien des Parasiten) infizierten Zwischenwirtsschnecken und entwickelten sich zu transgenen Sporozysten, was durch die Transkription von EGFP nachgewiesen wurde. Für eine stabile Integration in das Genom werden unter anderem mobile genetische Elemente eingesetzt. Boudicca ist ein endogenes long terminal repeat (LTR) Retroelement. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass es in adulten Würmern, Sporozysten und Zerkarien transkribiert wird. Das LTR kann in vitro als Promotor zur Expression von EGFP eingesetzt werden. Außerdem wurde eine transkribierte Kopie kloniert und analysiert. Die in dieser Arbeit gewonnen Ergebnisse weisen darauf hin, dass Boudicca als Vektor zur stabilen Transfektion von S. mansoni eingesetzt werden kann. / Schistosomiasis caused by schistosomes affects about 250-300 million people world wide. The establishment of a transgenesis system for schistosomes is a pre-requisite to the identification of new drug targets and to the analysis of gene regulation and will add to our knowledge of parasite physiology and development. In this study, plasmids expressing Enhanced Green Fluorescent Protein (EGFP) and beta-galactosidase driven by the schistosomal promoters of the calreticulin, the 28kDa-glutathione-S-transferase and the 70kDa-heatshock protein were cloned and successfully tested in cos7-cells. Microinjection, electroporation and particle bombardment were used to introduce plasmid DNA into Schistosoma mansoni. Adult and larval stages of S. mansoni subjected to particle bombardment transiently expressed the reporter genes, although the observed transfection rates were very low. To optimize the transfection system Discosoma Red Fluorescent Protein (DsRed) was used as a reporter gene. Furthermore, the schistosomal promoters of the aspartic protease cathepsin D and a cytoplasmatic actin gene were isolated from genomic DNA using inverse PCR. The isolated promoters were able to drive EGFP and DsRed expression in cos7- or HeLa-cells, but improved expression could not be observed in S. mansoni. Due to the complexity of the life cycle S. mansoni cannot be cultured in vitro. In order to develop a transgenesis system for schistosomes, the life cycle must consequently be completed by genetically modified parasites. In this study it was shown that the free-living and mobile miracidium that infects the intermediate host snail could be transformed by particle bombardment and reintroduced in the life cycle using the natural path of infection. Development into transgenic sporocysts was shown through the isolation of EGFP transcripts from intermediate host snails. Mobile genetic elements are used as molecular tools to achieve stable integration of a foreign gene into a genome. Boudicca is an endogeneous long-terminal repeat (LTR) transposon in the schistosomal genome. In this study it was shown that it is transcribed in adult worms, sporocysts and cercariae. The LTR drives EGFP expression in cell cultures. Furthermore, a Boudicca transcript was cloned and analyzed by sequencing. The results suggest that Boudicca can be used as a molecular tool for stable integration of transgenes into the schistosomal genome.