Chez les organismes à reproduction sexuée, les gamètes (cellules sexuelles) sont produits par un processus comprenant deux divisions successives appelé méiose. Durant la première division, la recombinaison méiotique permet un contact physique et un échange de matériel génétique entre les chromosomes homologues. Elle résulte de la réparation, par recombinaison homologue, de cassures double-brin de l’ADN générées par la protéine SPO11 au début de la prophase de la première division. Chez les mammifères, les évènements de recombinaison se situent dans des régions de 1-2 kb appelées points chauds de recombinaison. La protéine PRDM9, qui contient un domaine PR/SET et des doigts de zinc, détermine la position des points chauds en ciblant des séquences spécifiques d’ADN par ses doigts de zinc. Son domaine PR/SET porte une activité lysine méthyltransférase, corrélée avec un enrichissement de H3K4me3 au niveau des points chauds, dans les spermatocytes.Les objectifs de mon travail étaient de caractériser l’activité catalytique de PRDM9 et d’étudier son rôle dans l’initiation de la recombinaison chez la souris. La structure cristallisée du domaine PR/SET de PRDM9 en complexe avec un peptide de l’histone H3 nous a permis de montrer que ce domaine adopte une structure similaire aux domaines SET canoniques portés par d’autres méthyltransférases, et d’identifier des résidus clés pour son activité. Nous montrons que le domaine PR/SET de PRDM9 méthyle in vitro non seulement H3K4, mais aussi H3K9 et H3K36. Nous confirmons in vivo la triméthylation de H3K36 dépendante de PRDM9 dans les spermatocytes. Utilisant deux allèles différents de PRDM9, Prdm9b et Prdm9wm7, qui activent des points chauds différents grâce à leur spécificité de séquence, nous avons généré des lignées de souris exprimant des allèles mutés du domaine PR/SET dont l’activité catalytique est abolie, Prdm9wm7G278A ou Prdm9wm7Y357F. La protéine mutante PRDM9wm7Y357F se fixe à ses cibles, mais n’y permet in vivo ni la triméthylation de H3K4, ni celle de H3K36. Enfin, nous montrons que l’activité catalytique de PRDM9 est requise pour promouvoir la recombinaison aux points chauds. Chez les souris exprimant uniquement un allèle Prdm9 muté, les spermatocytes présentent des défauts d’appariement des chromosomes homologues et de réparation des cassures double-brin de l’ADN, ainsi qu’un arrêt de la progression en méiose en milieu de prophase I, phénotype similaire à celui de la souris KO pour Prdm9 (Prdm9-/-). L’ensemble de nos résultats met en évidence le rôle primordial de l’activité méthyltransférase de PRDM9 pour la détermination des sites de recombinaison méiotique et plus généralement pour la progression de la méiose et finalement la formation de gamètes chez la souris. / In sexually reproducing organisms, gametes are produced by a process comprising two successive division, called meiosis. During the first division, meiotic recombination enables a physical contact and an exchange of genetic material between homologous chromosomes. Meiotic recombination results from the repair, by homologous recombination, of programmed DNA double-strand breaks (DSBs) catalyzed by the SPO11 protein at the beginning of prophase I. In mammals, recombination events are localized in 1 to 2 kb-long regions called recombination hotspots. PRDM9, a PR/SET domain and zinc finger-containing protein, determines hotspot localization by targeting specific DNA sequences through its zinc finger array. Notably, PRDM9 PR/SET-domain possesses an H3K4 methyltransferase activity, while PRDM9-dependent H3K4me3 enrichment is found at hotspots in spermatocytes.We aimed at characterizing PRDM9 methyltransferase activity and studying its role in meiotic recombination initiation in mouse. The crystal structure of PRDM9 PR/SET domain, which we generated in complex with a histone H3 peptide, shows that this domain adopts a similar topology to that of classical SET domains and allowed us to identify key residues for its catalytic activity. PRDM9 PR/SET domain catalyzes not only mono-, di- and trimethylation of H3K4, but also of H3K9 and H3K36. We confirmed PRDM9 dependent H3K36 trimethylation in spermatocytes. Taking advantage of the distinct DNA binding specificity of two Prdm9 alleles, Prdm9b and Prdm9wm7, each activating its own set of hotspots, we generated transgenic mouse lines expressing either Prdm9wm7G278A or Prdm9wm7Y357F mutant allele together with the endogenous wild-type Prdm9b allele. Both G278A and Y357F mutations abolish PRDM9 catalytic activity. We show that PRDM9wm7Y357F binds normally to its genomic targets, but is not able to promote H3K4 nor H3K36 trimethylation at these sites. In addition, PRDM9wm7Y357F does not promote recombination at one Prdm9wm7-dependent hotspot, showing that PRDM9 catalytic activity is required for promoting recombination at hotspots. In mice expressing only the mutant allele (Prdm9wm7G278A or Prdm9wm7Y357F), spermatocytes display defects in homologous chromosome synapsis and DSBs repair, as well as an arrest of meiosis at the mid-prophase I. This phenotype is similar to that of Prdm9 KO mice. Overall, our results demonstrate the role of PRDM9 methyltransferase activity in determining recombination hotspots and more generally for meiotic progression and gametes formation.

La recombinaison homologue au cours de la méiose est un événement essentiel pour la ségrégation fidèle des chromosomes homologues, et contribue à la production de la diversité génétique. La recombinaison méiotique est initiée par l'induction de cassures double brin d'ADN (CDB), catalysée par SPO11, à des régions spécifiques du génome appelés points chauds. Récemment, il a été montré que PRDM9 est un déterminant majeur des points chauds de recombinaison chez la souris et l'homme. PRDM9 contient un domaine PR/SET avec une activité d'histone méthyltransférase, un domaine de liaison à l'ADN constitué d'une série de doigts de zinc en tandem, et des domaines prédit pour être impliqué dans des interactions protéine-protéine. Notre modèle de travail récent place PRDM9 comme un élément clé pour l'initiation de la recombinaison méiotique: PRDM9 se lie à l'ADN via le domaine à doigts de zinc, et modifie localement la structure de la chromatine. Grâce à un processus encore inconnu, SPO11 est recruté à proximité des sites de liaison de PRDM9, où il catalyse la formation de CDB. Le but de ma thèse était de répondre à la question : comment PRDM9 recrute-t-elle la machinerie CDB aux points chauds ? Pour mieux comprendre ce mécanisme, je me suis attaché à la caractérisation des protéines interagissant avec PRDM9. Les protéines interagissant potentiellement avec PRDM9 ont été identifiées, par criblage double hybrides dans la levure avec des banques d'ADNc issues de testicules, et par purification par affinité-spectrométrie de masse des complexes PRDM9. La cartographie par double hybride avec des formes tronquées de PRDM9 a révélé que le domaine KRAB atypique de PRDM9 joue un rôle clé dans les interactions protéine-protéine. Les protéines identifiées comprennent CXXC1, un composant évolutivement conservé du complexe SET1-COMPASS, et HELLS qui est indispensable à la progression de la méiose I chez la souris. J’ai montré que ces deux protéines sont exprimées au cours de la spermatogenèse chez la souris. Puisque Spp1, l'orthologue chez S. cerevisiae de CXXC1, est connu pour servir de médiateur de recrutement de la machinerie de formation des CDB aux sites de CBD, l'interaction entre PRDM9 et CXXC1 pourrait refléter la conservation de la fonction méiotique de Spp1 chez la souris. / Meiotic homologous recombination is an essential event for faithful segregation of homologous chromosomes, and contributes to production of genetic diversity. Meiotic recombination is initiated by the induction of programmed DNA double strand breaks (DSBs), which are catalyzed by SPO11, at specific regions of the genome called hotspots. Recently, PRDM9 was reported as a major determinant of recombination hotspots in mouse and human. PRDM9 contains a PR/SET domain with histone methyltransferase activity, a zinc-finger array, and putative domains for protein-protein interactions. Our recent working model involves PRDM9 as a key component for the initiation of meiotic recombination: PRDM9 binds DNA via the zinc-finger array, and modifies chromatin structure locally. Through an unknown process, SPO11 is recruited and catalyzes DSB formation near PRDM9-bound sites. The aim of my thesis was to address the question: how does PRDM9 recruit DSB machinery to hotspots. To gain insight into this mechanism, I focused on characterization of PRDM9-interacting proteins. Potential interactors of PRDM9 were identified by yeast two hybrid (Y2H) screens with testis cDNA libraries and by affinity purification-mass spectrometry of PRDM9 complexes. Further Y2H assays with truncated derivatives of PRDM9 revealed that the atypical KRAB domain of PRDM9 plays a key role in protein-protein interactions. The identified proteins include CXXC1, a component of the evolutionarily conserved SET1-COMPASS complex, and HELLS, which is indispensable for progression of meiotic prophase I in mouse. Both proteins were found to be expressed during mouse spermatogenesis. Since Spp1, the S.cerevisiae orthologue of CXXC1, is known to mediate tethering of DSB sites to DSB machinery, the interaction between PRDM9 and CXXC1 might imply potential conservation of the Spp1 function in mouse meiosis.

Évolution de la recombinaison méiotique: variation et fonction du gène Prdm9 chez la souris. L’espèce M. musculus est divisée en trois sous-espèces dont deux en Europe, M. m. musculus et M. m. domesticus. Lorsque certaines lignées de souris venant de ces différentes sous-espèces (PWD de M. m. musculus et C57BL/6 de M. m. domesticus) sont croisées, on observe une stérilité chez les descendants mâles, due à un arrêt en prophase de la première division de méiose. Cette stérilité est liée à des incompatibilités génétiques qui impliquent une combinaison spécifique d’allèles du gène Prdm9, une hétérozygotie génomique ainsi qu’une région du chromosome X. Le gène Prdm9, qui est l’un des gènes évoluant le plus rapidement chez les rongeurs et les primates, a ainsi été proposé être un gène impliqué dans la spéciation. Au niveau moléculaire, Prdm9 spécifie la localisation des événements de recombinaison méiotique en des sites qui peuvent différer selon les allèles. Lors de ma thèse, j’ai entrepris de tester l’hypothèse du rôle de Prdm9 dans la spéciation en évaluant la généralité des incompatibilités dues à Prdm9. J’ai testé la fertilité de 32 croisements réalisés à partir de 8 lignées de souris issues de la nature, 4 de chaque sous espèce et portant des allèles de Prdm9 distincts. L’analyse du poids testiculaire et de la spermatogénèse par histologie et immuno-cytochimie a révélé un phénotype sauvage chez tous ces hybrides. Par contre, en croisant la lignée C57BL/6 avec les 4 lignées de M. m. musculus utilisées précédemment, j’ai observé une corrélation entre la présence d’un allèle spécifique de M. m. musculus (PWD) et la stérilité, avec des variations des phénotypes indiquant que les facteurs impliqués n’ont pas été fixés.J’ai donc démontré que la stérilité hybride est restreinte à des combinaisons spécifiques d’allèles Prdm9 et de fonds génétiques, ce qui définit de manière précise le contexte dans lequel Prdm9 pourrait jouer un rôle dans la spéciation. Compte tenu du phénomène d’érosion des sites de PRDM9 par conversion génique et que leur hétérozygotie peut conduire à des défauts de recombinaison et à la stérilité, mes données conduisent également à des prédictions sur la fréquence et l’activité de différents allèles de Prdm9 sur les génomes de M. m. musculus et M. m. domesticus.En parallèle, j’ai également initié une étude portant sur 300 souris sauvages d’origines géographiques et phylogénétiques variées : par capture et séquençage de régions génomiques d’intérêt, nous chercherons à déchiffrer les modes de sélection régissant l’évolution de la région génomique du gène Prdm9. Lors de ma thèse, j’ai entrepris de tester l’hypothèse du rôle de Prdm9 dans la spéciation en évaluant la généralité des incompatibilités dues à Prdm9. J’ai testé la fertilité de 32 croisements réalisés à partir de 8 lignées de souris issues de la nature, 4 de chaque sous espèce et portant des allèles de Prdm9 distincts. L’analyse du poids testiculaire et de la spermatogénèse par histologie et immuno-cytochimie a révélé un phénotype sauvage chez tous ces hybrides. Par contre, en croisant la lignée C57BL/6 avec les 4 lignées de M. m. musculus utilisées précédemment, j’ai observé une corrélation entre la présence d’un allèle spécifique de M. m. musculus (PWD) et la stérilité, avec des variations des phénotypes indiquant que les facteurs impliqués n’ont pas été fixés.J’ai donc démontré que la stérilité hybride est restreinte à des combinaisons spécifiques d’allèles Prdm9 et de fonds génétiques, ce qui définit de manière précise le contexte dans lequel Prdm9 pourrait jouer un rôle dans la spéciation. Compte tenu du phénomène d’érosion des sites de PRDM9 par conversion génique et que leur hétérozygotie peut conduire à des défauts de recombinaison et à la stérilité, mes données conduisent également à des prédictions sur la fréquence et l’activité de différents allèles de Prdm9 sur les génomes de M. m. musculus et M. m. domesticus. / Meiotic recombination evolution: Prdm9 gene variation and evolution in miceHouse mouse Mus musculus is divided into three sub species, two of which are found in Europe, M. m. musculus and M. m. domesticus. Male hybrids from some mouse strains derived from these sub-species (PWD from M. m. musculus and C57BL/6 from M. m. domesticus) are sterile with a meiotic arrest during the first meiotic prophase. This sterility is due to genetic incompatibilities involving heterozygosity at Prdm9 and in the genome as well as a locus on the X chromosome. Prdm9, which one of the fastest evolving gene in primates and rodents, was thus proposed to be a speciation gene. At the molecular level, Prdm9 is known to specify the sites of meiotic recombination which can be distinct in different Prdm9 alleles.During my thesis, I tested the hypothesis of the role of Prdm9 in speciation by evaluating the generality of incompatibilities due to Prdm9. I tested the fertility of 32 hybrids made by crossing 8 wild-derived mouse strains from both sub-species and carrying distinct Prdm9 alleles. Based on the analysis of testis weight and of spermatogenesis by histological and cytological analysis, I observed a wild type phenotype in all hybrids. Instead when C57BL/6 was crossed with the four M. m. musculus strains used in previous crosses, I observed a correlation between the presence of the PWD allele and sterility, with variations in the strength of the phenotype.I have thus shown that hybrid sterility is limited to specific combinations of Prdm9 alleles together with specific genomic backgrounds which define contexts in which Prdm9 could act as a speciation gene. Given that PRDM9 sites are eroded by gene conversion and that heterozygosity at PRDM9 sites can lead to defects in meiotic recombination and to sterility, my observations lead to predictions about Prdm9 allele frequencies and Prdm9 historical activities on the genomes of M. m. musculus and M. m. domesticus.Simultaneously, I initiated a study on nearly 300 mice of various geographic and phylogenetic origins: using genomic sequence capture technology, we are aiming to decipher selection forces affecting the evolution of Prdm9 gene genomic region.

Deciphering the genetic basis of phenotypic diversity is one of the central aims of biological research. Domestic animals provide a unique opportunity for making substantial progress towards this goal. Intense positive selection has lead to a rich reservoir of phenotypes and underlying genotypes that can be interrogated using genetic tools to gain insight into the genetic basis of phenotypic diversity. The dog is the most phenotypically diverse mammal. It was domesticated from the grey wolf 11-30,000 years ago. After domestication, a period of intense breeding has lead to the massive phenotypic diversity seen amongst dog breeds today. These two phases of strong positive selection at domestication and at breed creation are likely to have left their signature on the genome. In this thesis, we have analysed genome-wide patterns to detect genomic regions involved in selection in both of these phases. We used whole genome sequences from 60 dogs and 12 wolves, to detect dog domestication selective sweeps. We find evidence for genes involved in memory formation, neurotransmission and starch digestion. To decipher the genetic signals underlying breed diversity, we used genome-wide genotype data from >170,000 SNPs in 509 dogs from 46 different breeds. We find evidence for genes under selection in many breeds, and only a few breeds. In addition, we identify novel sweeps underlying morphology and behavior. Recombination can influence the configuration of alleles present on a haplotype, and can thus increase or decrease the efficiency of selection. The PRDM9 protein has been shown to be important for determining recombination hotspot locations in humans and other mammals, but of all the mammals studied so far the dog is the only one to have a non-functional PRDM9. We used the genome-wide genotype data described above to characterise the fine scale recombination map in dogs. We find that recombination hotspots exist in dogs despite the absence of PRDM9. Moreover, we show that these hotspots are enriched for GC rich peaks and that these peaks are getting stronger over time. Our results show that the absence of PRDM9 has lead to the stabilisation of the recombination landscape in dogs.

En génomique comparative, on considère classiquement trois forces déterminant l'évolution des séquences : la mutation, la sélection et la dérive génétique. Récemment, lors de l'étude de l'origine évolutive des variations de la composition en base des génomes, un quatrième agent a été identifié : la conversion génique biaisée (BGC). Le BGC est intimement lié à la recombinaison méiotique et semble présent chez la plupart des eucaryotes. Ce phénomène introduit une surreprésentation de certains allèles dans les produits méiotiques aboutissant à une augmentation de la fréquence de ces variants dans la population. Ce processus est capable de mimer et d'interférer avec la sélection naturelle. Il est donc important de le caractériser afin de pouvoir le distinguer efficacement de la sélection dans l'étude de l'adaptation à l'échelle moléculaire. C'est ce que nous nous attachons à faire dans le cadre de ce travail. Pour cela nous utilisons deux espèces modèles. Premièrement la levure Saccharomyces cerevisiae pour laquelle une carte de recombinaison haute résolution permettant l'analyse du processus de conversion, est disponible. L'étude approfondie de cette carte nous a permis de lever le voile sur les mécanismes moléculaires qui sous-tendent le BGC. Deuxièmement, grâce à des découvertes récentes sur la détermination des patrons de recombinaison via la protéine PRDM9 chez les mammifères, nous avons quantifié la dynamique et l'intensité de ce processus dans l'histoire évolutive récente de l'homme. Ces résultats nous ont permis de confirmer la place du BGC comme quatrième force d'évolution moléculaire, mais aussi de discuter de l'origine évolutive de ce phénomène / Usually, three main forces are considered when studying sequences evolution in comparative genomics : mutation, selection and genetic drift. Recently, a fourth process has been identified during the study of base composition landscapes in genomes : biased gene conversion (BGC). This phenomenon introduces an overrepresentation of certain alleles in meiosis products (gametes or spores) leading to an increase of the frequency of those variants in the population. Thus, it is able to mimic and interfere with natural selection. Hence, it is important to describe this phenomenon in order to be able to trustfully distinguish BGC and selection in the study of adaptation at the molecular scale. So, the main goal of this work is to analyze the molecular origin, the intensity and the dynamics of BGC. To do so, we use two model species. First, we use the yeast Saccharomyces cerevisiae because, for this specie, a high-resolution recombination map is available which allows a fine study of the conversion process. Analyzing this map led us to shed the light on the molecular mechanisms of BGC. Secondly, recent discoveries on the role of the PRDM9 protein in the determination of recombination landscapes in mammals allowed us to quantify the dynamics and intensity of BGC in the recent human history. Thanks to those two studies, we first confirmed that BGC is the fourth force of molecular evolution and we also provided hypotheses about the evolutionary origin of this process

Au cours de la méiose, les points chauds de recombinaison sont le siège de la formation de cassures double-brin de l’ADN. Ces dernières sont ensuite réparées par un processus qui, chez de nombreuses espèces, favorise la transmission des allèles G et C : la conversion génique biaisée vers GC (gBGC). L’intensité de cet important distorteur de la ségrégation méiotique varie fortement entre espèces mais les facteurs déterminant son évolution sont toujours inconnus. Nous avons donc voulu quantifier directement le biais de transmission chez la souris et comparer les paramètres dont il dépend avec d’autres mammifères. Dans cette étude, en couplant des développements bioinformatiques à une technique de capture ciblée d’ADN suivie de séquençage haut-débit (capture-seq), nous avons réussi à mettre au point une approche qui s’est révélée 100 fois plus performante pour détecter les événements de recombinaison que les méthodes existant actuellement. Ainsi, nous avons pu identifier 18 821 crossing-overs (COs) et non-crossovers (NCOs) à très grande résolution chez des individus uniques, ce qui nous a permis de caractériser minutieusement la recombinaison chez la souris. Chez cette espèce, les points chauds de recombinaison sont ciblés par la protéine PRDM9 et sont donc soumis à une deuxième forme de conversion génique biaisée (BGC) : le biais d’initiation (dBGC). La quantification du dBGC et du gBGC à partir de nos données nous a permis de mettre en lumière le fait que, au moment où des populations structurées s’hybrident, le gBGC des lignées parentales est propagé par un phénomène d’auto-stop génétique (genetic hitchhiking) provenant du dBGC. Nous avons ensuite pu observer que, chez les souris mâles, seuls les NCOs — et plus particulièrement les NCOs contenant un seul marqueur génétique— contribuent à l’intensité du gBGC. En comparaison, chez l’Homme, à la fois les NCOs et au moins une part des COs (ceux qui présentent des tracts de conversion complexes) distordent les fréquences alléliques. Ceci suggère que la machinerie de réparation des cassures double-brin qui induit le biais de conversion génique (BGC) présente des variations au sein des mammifères. Nos résultats sont aussi en accord avec l’hypothèse selon laquelle une pression de sélection limiterait l’intensité de ce processus délétère à l’échelle de la population. Cela se traduirait par une compensation de la taille efficace de population à de multiples niveaux : par le taux de recombinaison, par la longueur des tracts de conversion et par le biais de transmission. Somme toute, notre travail a permis de mieux comprendre la façon dont la recombinaison et la conversion génique biaisée opèrent chez les mammifères. / During meiosis, recombination hotspots host the formation of DNA double-strand breaks (DSBs). DSBs are subsequently repaired through a process which, in a wide range of species, is biased towards the favoured transmission of G and C alleles: GC-biased gene conversion (gBGC). The intensity of this fundamental distorter of meiotic segregation strongly varies between species but the factors dictating its evolution are not known. We thus aimed at directly quantifying the transmission bias in mice and comparing the parameters on which it depends with other mammals. Here, we coupled capture-seq and bioinformatic techniques to implement an approach that proved 100 times more powerful than current methods to detect recombination. With it, we identified 18,821 crossing-over (CO) and non-crossover (NCO) events at very high resolution in single individuals and could thus precisely characterise patterns of recombination in mice. In this species, recombination hotspots are targeted by PRDM9 and are therefore subject to a second type of biased gene conversion (BGC): DSB-induced BGC (dBGC). Quantifying both dBGC and gBGC with our data brought to light the fact that, in cases of structured populations, past gBGC from the parental lineages is hitchhiked by dBGC when the populations cross. We next observed that, in male mice, only NCOs — and more particularly single-marker NCOs — contribute to the intensity of gBGC. In contrast, in humans, both NCOs and at least a portion of COs (those with complex conversion tracts) distort allelic frequencies. This suggests that the DSB repair machinery leading to gBGC varies across mammals. Our findings are also consistent with the hypothesis of a selective pressure restraining the intensity of the deleterious gBGC process at the population-scale: this would materialise through a multi-level compensation of the effective population size by the recombination rate, the length of conversion tracts and the transmission bias. Altogether, our work has allowed to better comprehend how recombination and biased gene conversion proceed in the mammalian clade

The PRDM9 (PR domain containing 9) protein is an epigenetic factor that trimethylates lysine 4 of histone H3 and thereby determines the future meiotic double-strand breaks - sites important for proper segregation of homologous chromosomes. Males of the Mus musculus domesticus (Mmd) origin with homozygous deletion in Prdm9 (Prdm9-/- ) are sterile with a complete arrest in meiotic prophase I, in contrast to the same mutant males of the M. m. musculus (Mmm) subspecies. The aim of this diploma thesis was to identify the genomic loci responsible for the phenotypic difference of these Prdm9-/- males. The major research tool was a population of 182 Mmm x Mmd Prdm9-/- males. The mapping method of quantitative trait loci (QTLs) was based on relating the genotypes of single-nucleotide and microsatellite polymorphisms to the observed phenotypes. At least two QTLs on Chr X were identified. The Mmm alleles of these QTLs reduced fertility of Prdm9-/- males. Both QTLs were confirmed and narrowed down using two types of subconsomic strains. It was not possible to confirm other QTLs, particularly on autosomes. This QTL mapping is the first step towards the identification of genes that modify the resulting phenotype of Prdm9-/- animals. This identification should help designing studies of human infertility that...

The Prdm9 gene (PR domain containing 9, Meisetz, Hybrid sterility 1) encodes enzyme that trimethylates histone 3 on lysines 4 and 36. These methylation marks determine the positions of DNA double-strand breaks that are repaired by meiotic homologous recombination. In this study, we assayed genetic interactions of Prdm9 with two genes important for spermatogenesis - Mili (Piwil2) involved in piRNA biogenesis and Mybl1 encoding transcription factor that regulates many genes important for prophase I, including piRNA precursors. We crossed laboratory mice carrying mutation in Prdm9 with heterozygotes for mutation in Mybl1 or Mili, and created compound heterozygotes and, in case of Mybl1, also double homozygotes. We assessed body weight and male fertility parameters (weight of testes, sperm count, malformed sperm, percentage of tubules containing spermatocytes and of abnormal nuclei of pachytene spermatocytes) of these mice and compared them to controls. We also investigated the effect of Mybl1 and Mili mutations on fecundity of F1 intersubspecific hybrids. Our results revealed possible interactions of Prdm9 and Mybl1 in the laboratory mouse. Decreased gene dosage of Mybl1 reduced fertility of intersubspecific F1 hybrids. Interaction between Prdm9 and Mili in both laboratory mouse and F1 hybrids remain...

Meiotic recombination is a fundamental biological process in sexually reproducing organisms, enabling offspring to inherit novel combinations of mutations, and ensuring even segregation of chromosomes into gametes. Recombination is initiated by programmed Double Strand Breaks (DSBs), the genomic locations of which are determined in most mammals by PRDM9, a rapidly evolving DNA-binding protein. In crosses between different mouse subspecies, certain Prdm9 alleles cause infertility in hybrid males, implying a critical role in fertility and speciation. Upon binding to DNA, PRDM9 deposits a histone modification (H3K4me3) typically found in the promoters of expressed genes, suggesting that binding might alter the expression of nearby genes. Many other questions have remained about how PRDM9 initiates recombination, how it causes speciation, and why it evolves so rapidly. This body of work investigates these questions using complementary experimental and analytical methodologies. By generating a map of human PRDM9 binding sites and applying novel sequence analysis methods, I uncovered new DNA-binding modalities of PRDM9 and identified sequence-independent factors that predict binding and recombination outcomes. I also confirmed that PRDM9 can affect gene expression by binding to promoters, identifying candidate regulatory targets in meiosis. Furthermore, I showed that PRDM9’s DNA-binding domain also mediates strong protein-protein interactions that produce PRDM9 multimers, which may play an important functional role. Finally, by generating high-resolution maps of PRDM9 binding in hybrid mice, I provide evidence for a mechanism to explain PRDM9-mediated speciation as a consequence of the joint evolution of PRDM9 and its binding targets. This work reveals that PRDM9 binding on one chromosome strongly impacts DSB formation and/or repair on the homologue, suggesting a novel role for PRDM9 in promoting efficient homology search and DSB repair, both critical for meiotic progression and fertility. One consequence is that PRDM9 may play a wider role in mammalian speciation.

Durant la méiose, il se produit des échanges réciproques entre fragments de chromosomes homologues par recombinaison génétique. Les chromosomes parentaux ainsi modifiés donnent naissance à des gamètes uniques. En redistribuant les mutations génétiques pour générer de nouvelles combinaisons, ce processus est à l’origine de la diversité haplotypique dans la population. Dans cette thèse, je présente des résultats décrivant l’implication de la recombinaison méiotique dans les maladies chez l’humain. Premièrement, l'analyse statistique de données de génotypage de familles québécoises démontre une importante hétérogénéité individuelle et sexe-spécifique des taux de recombinaisons. Pour la première fois chez l’humain, nous avons observé que le taux de recombinaison maternel diminue avec l'âge de la mère, un phénomène potentiellement impliqué dans la régulation du taux d’aneuploïdie associé à l’âge maternel. Ensuite, grâce à l’analyse de données de séquençage d’exomes de patients atteints de leucémie et de ceux de leurs parents, nous avons découvert une localisation anormale des évènements de recombinaison chez les enfants leucémiques. Le gène PRDM9, principal déterminant de la localisation des recombinaisons chez l’humain, présente des formes alléliques rares dans ces familles. Finalement, en utilisant un large spectre de variants génétiques identifiés dans les transcriptomes d’individus Canadiens Français, nous avons étudié et comparé le fardeau génétique présent dans les régions génomiques à haut et à faible taux de recombinaison. Le fardeau génétique est substantiellement plus élevé dans les régions à faible taux de recombinaison et nous démontrons qu’au niveau individuel, ce fardeau varie selon la population humaine. Grâce à l’utilisation de données génomiques de pointe pour étudier la recombinaison dans des cohortes populationnelles et médicales, ce travail démontre de quelle façon la recombinaison peut affecter la santé des individus. / The intergenerational mixing of DNA through meiotic recombination of homologous chromosomes is, along with mutation, a major mechanism generating diversity and driving the evolution of genomes. In this thesis, I use bioinformatics and statistical approaches to analyse modern genomic data in order to study the implication of meiotic recombination in human disease. First, using high-density genotyping data from French-Canadian families, we studied sex- and age-specific effects on recombination patterns. These analyses lead to the first observation of a significant decrease in recombination rates with advancing maternal age in humans, with potential implications for understanding trisomic conceptions. Second, using next-generation sequencing of exomes from families of children with leukemia, we discovered unusual distributions of recombination breakpoints in some leukemia patients, which implicates PRDM9, a protein involved in defining the location of recombination breakpoints, in leukemogenesis. Third, using single nucleotide polymorphisms (SNPs) called from RNA sequencing data, we present a detailed comparison of the mutational burden between high and low recombining regions in the human genome. We further show that the mutational load in regions of low recombination at the individual level varies among human populations. In analysing genomic data to study recombination in population and disease cohorts, this work improves our understanding of how recombination impacts human health. Furthermore, these results provide insights on how variation in recombination modulates the expression of phenotypes in humans.