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Im Walderlebniszentrum an der Heinzebank werden Programme rund um das Thema Wald für Schulen und Kindertagesstätten angeboten. Die Programme ergänzen den Unterricht und bieten Abwechslung zur Gruppenarbeit in den Kindertagesstätten. Redaktionsschluss: 21.11.2023

Les éléments transposables (ET) sont des parasites génomiques présents dans tous les génomes, dont une partie présente une structure similaire à celle de certains virus. Dans les cellules ovariennes d'insecte, l'abondance des transcrits d’ET est contrôlée par ARN interférence (ARNi), et plus particulièrement par la voie piARN (Piwi-interacting RNA). Une autre voie d'ARNi, la voie siARN (Small interfering RNA), constitue l'une des principales réponses immunitaires des insectes contre les infections virales, et est aussi dédiée au contrôle somatique des ET. Ces deux voies d'ARNi sont dirigées par des effecteurs moléculaires distincts et décrites comme indépendantes. Cependant, des similitudes structurales et de mécanisme de contrôle entre les ET et les virus suggèrent la possibilité d’une interaction. Nous avons utilisé la drosophile comme modèle et infecté l'organisme avec le virus Sindbis (SINV), un arbovirus (Arthropod-Borne virus), ou le virus Sigma (SV), un virus spécifique de drosophile. À l'aide d'un séquençage à haut débit, nous avons caractérisé les répertoires d'ARN et de petits ARN interférents produits par les drosophiles infectées, à partir des tissus de carcasses ou d'ovaires. Globalement, nos résultats démontrent un impact de l'infection virale sur les quantités de transcrits d’ET via la modulation des répertoires piARN et siARN, et représentent la première démonstration des effets d’infections virales sur l’activité des ET. Plus précisément, l’infection par SINV favorise une diminution globale des quantités de transcrits d’ET alors que l’infection par SV réactive de nombreux ET. Nos données suggèrent que la modulation résulte de substrats d'ARN partagés et de trans-régulateurs communs des voies de l'ARNi. Ces résultats ouvrent un nouvel axe de recherche en génomique, suggérant que les épidémies virales ou les infections chroniques peuvent avoir un impact sur l'activité des ET, et donc sur le taux de diversification génétique ultérieure / Transposable elements (TEs) are genomic parasites that are found in all genomes, a part of which display structure similarity to some viruses. In insect ovarian cells, TE transcript abundance is controlled by RNA interference (RNAi) machinery and more particularly by the piRNA pathway (Piwi-interacting RNA). Another RNAi pathway, named siRNA pathway (Small interfering RNA), is one of the key insect immune responses against viral infections and is also dedicated to TE somatic control. These two interfering RNA pathways are led by distinct molecular effectors and described as independent. However, similarities in structure and control mechanisms across TEs and viruses suggest that an interplay may exist. We used Drosophila as a model, and infected the organism with Sindbis virus (SINV), an arbovirus (Arthropod-Borne virus), or Sigma virus (SV), a Drosophila-specific virus. Using high-throughput sequencing, we characterized the RNA and small-RNA repertoires produced by Drosophila flies from carcass or ovary tissues. Overall, our results demonstrate an impact of viral infection on TE transcript amounts via modulation of the piRNA and siRNA repertoires and represent the first demonstration of the effects of viral infection on TE activity. More precisely, SINV infection promotes a global decrease of TE transcript levels while SV infection reactivates many TEs. Our data suggest that the modulation results from shared RNA substrates and common trans-regulators of the small RNA pathways. These results open new avenue of research in genomics, suggesting that viral epidemics or chronic infections can impact TE activity and thus the rate of subsequent genetic diversification

Les ARN interagissants avec Piwi (ARNpi) sont des petits ARN non-codants qui sont exprimes dans la ligne grrminale des animaux. Ils interagissent avec les proteines de la branche Piwi de la famille des Argonautes en formant des complexes des ribonucleproteines impliques dans le maintien de l'intégrité du génome. La region N-terminale des quelques proteines Piwi contiennent symetriquement des arginines diméthylées. Il est considere que ce status symmetrique de la dimethylation est responsable du recrutement des proteines possédant des domaines Tudor (TDRDs). Ces domaines peuvent avoir un role comme platforme pour medier les interactions entre les proteines de la voie de l'ARNpi. Nous avons mesure indivindiuellemnt l'affinite de liaison des quatres domaines etendus Tudor (TD) de la proteine murine TDRD1 pour les trois differents peptides de la protein murine Mili qui contiennent de la methyl-arginine. Les resultats montrent une preference des TD2 et TD3 pour les peptides consecutives Mili alors que TD4 et TD1 ont une affinite plus bas et plus faible respectivement pour tous les peptides. Ces observations ont ete confirmees par des experiences pull-down en utilisant des proteines Piwi endogenes et des proteines-interagissent avec Piwi. L'affinite de TD1 pour les peptides qui contiennent de la methyl-arginine peut etre restoree par une seul mutation ponctuelle dans la cage aromatique pour revenir a la sequence consensus. La structure de cristal de la proteine TD3 lie au peptide methyle Mili montre une orientation inattendue de la peptide de liaison et de la chaine latérale de l'arginine methyle dans la cage aromatique. Finalement, le model SAXS des quatres domains tandem Tudor de TDRD1 revele une forme de la proteine flexible et elongee. Globalement, les resultats montrent que la proteine TDRD1 peut accommoder des differents peptides des differentes proteines et ainsi de fonctionner comme une protéine d'échafaudage dans la voie de l'ARNpi. La proteine FKBP6 (FK506 Binding Protein) a ete recemment identifiee comme un nouvel facteur interagissent dans la voie de l'ARNpi. FKBP6 est constituee d'une domaine d'isomerase FK et une domaine de tetratricopeptide (TPR). Une perte de la Fkbp6 conduit a la de -repression des transposons et a la sterilite masculine des souris. Le domaine TPR est implique dans l'interaction avec la proteine chaperone Hsp90 et le domaine FK est une isomerase inactive qui a ete evolue a une module structurale. En effectuant des exepriences biochimiques preliminaires nous avons identifie la region N-terminal du domaine MYND de TDRD1 comme le partenaire d'interaction du domaine FK de la FKBP6. Nous proposons que la proteine TDRD1 est une plateforme moleculaire qui reconnait des marques de methylation de MILI et elle recrute FKB6 pour promouvoir la formation d'un complexe indispensable pour la fonction de la voie de l'ARNpi.

Les éléments transposables (ET) sont des constituants majeurs des génomes eucaryotes. Leur mobilisation joue un rôle important dans l'évolution et l'adaptation des organismes. Cependant, la transposition des ET peut conduire à des dommages irréversibles du génome et elle doit donc être étroitement contrôlé. Chez Drosophila melanogaster, la transposition des ET est contrôlée par les siRNA (small interfering RNAs) et les piRNA (Piwi-interacting RNAs) qui agissent en réprimant des cibles ARN de séquences complémentaires. Les siRNA et piRNA ont des modes distincts de biogenèse, de reconnaissance de cibles et d'activité repressive. Les piRNAs sont seulement présents en abondance dans les gonades, et transmis maternellement aux embryons. Par une approche de séquençage à haut débit, j'ai pu montrer que bien qu'ils induisent une répression transcriptionnelle des ET à ce stade du développement, ils sont pratiquement absents des têtes de drosophiles adultes. Cet état est cependant hérité et il est suffisant pour limiter l'expression des ET dans l'adulte, même en l'absence de siRNA. A l'inverse, si la répression transcriptionnelle précoce n'est pas établie, les siRNA agissent comme un système de sauvegarde en limitant l'expression des ET. En cas de perte conjointe des piRNA et siRNA, l'expression des ET augmente significativement et la durée de vie des mouches adultes se trouve réduite. Les analyses de sequences à grande échelle m'ont par ailleurs conduit à développer des outils logiciels intégrés dans Galaxy et à m'impliquer significativement dans la communauté qui développe ce système au niveau international. / Transposable elements are major components of eukaryotic genomes and have been proposed as important drivers of gene network evolution, as they can move or “transpose” in their host genome, creating gene duplications, gene inactivations or altogether altering gene function. Nevertheless, uncontrolled high-rate transposition leads to DNA damage and genomic instabilities, and therefore needs to be kept at a low level. In the fruitfly Drosophila melanogaster, transposition is counteracted by multiple mechanisms, amongst which the generation of small interfering RNAs (siRNAs) and Piwi-interacting RNAs (piRNAs). siRNAs and piRNAs belong to the category of small RNAs, and these are involved in negative regulation of complementary target RNAs abundance, but siRNAs and piRNAs have distinct mechanisms of biogenesis, target recognition and mechanisms of target regulation. Notably, piRNAs are only abundant in gonads and are transmitted to the embryo. By sequencing small RNAs and normal transcripts in adult heads, I conclude that, while piRNAs are likely absent in adult heads, they induce a repressive state on TEs. If this repressive state is lost, the siRNA pathway can compensate and limit Transposable element levels. If siRNAs are lost, the repressive state induced by piRNAs suffices to limit Transposable element levels. If both piRNAs and siRNAs are lost, the expression level of Transposable elements increases, and flies have a shorter life span. The requirement to analyse large-scale sequencing data led to the development of multiple tools for the reproducible research platform Galaxy.

Chez les insectes, la voie des petits ARNs interférants (siARN) joue un rôle majeur dans la réponse antivirale. Ces dernières années, il a été montré que les petits ARNs interagissant avec les protéines PIWI (piARNs) sont impliqués dans la défense des moustiques face aux infections arbovirales. Le but de mon travail de thèse fut de caractériser l'implication de la voie des piARNs dans la réponse antivirale de la Drosophila melanogaster, utilisée ici comme un organisme modèle. Dans un premier temps, j’ai demontré qu’à la suite d’une infection virale, la survie et le titre viral chez les drosophiles mutées pour les protéines Piwi, Aubergine, Argonaute-3 et Zucchini, ne présente aucune différence avec les données observées pour les drosophiles sauvages. Ensuite, via l’utilisation de virus provoquant une infection aigue, persistante ou se transmettant de manière verticale par les cellules germinales, j’ai montré l’absence de production de piARNs viraux durant l’infection chez les drosophiles adultes. Finalement, l’utilisation de mes données de séquencage m’a permis d’observer la production de piARNs dérivant d’un gène codant une protéine impliquée dans la réponse antivirale. Suggérant ainsi un rôle hypothétique des piARNs dans la régulation de l’immunité de l’hôte durant l’infection virale.Mes travaux visent à améliorer la compréhension de la réponse immunitaire antivirale chez l’insecte. Je montre que la fonction antivirale de la voie des piARN dépend plus de la biologie de l’hôte et du virus que de la réponse antivirale en elle-même. / In insects, the small interfering RNA (siRNA) pathway is the major antiviral response. In recent years, the piwi-interacting RNA (piRNA) pathway has been also implicated in antiviral defense in mosquitoes infected with arboviruses. The aim of my thesis was to characterize the involvement of the piRNA pathway in antiviral defense in Drosophila melanogaster. I first showed that following virus infection, the survival and viral titers of Piwi, Aubergine, Argonaute-3, and Zucchini mutant flies were similar to those of wild type flies. Then, by studying an array of viruses that infect the fruit fly acutely or persistently or are vertically transmitted through the germ line, I showed that no viral piRNAs are produced during infection in adult Drosophila melanogaster. Finally, using the next generation sequencing data generated during viral infections, I showed the presence of piRNAs derived from protein coding gene and suggested their potential role in regulating the immune status of the host during viral infection.This work improves the current understanding of the antiviral response in insects. It shows that, in contrast to what was observed in mosquitoes, the piRNA pathway is not directly implicated in antiviral defence in adult Drosphila melanogaster and that viral piRNAs production depends on the biology of the host–virus combination rather than being part of a general antiviral process.

Durant ces dernières décennies, la fertilité masculine est en constante diminution à l’échelle mondiale. Même si les facteurs environnementaux ont une part de responsabilité indéniable, il n’en reste pas moins que les altérations génétiques mais également épigénétiques semblent aussi largement impliquées. La compréhension des mécanismes épigénétiques qui régulent la fertilité masculine est récente mais essentielle pour le développement de nouvelles approches thérapeutiques. Dans ce contexte, l’objectif de mes travaux de thèse s’est focalisé sur l’étude du rôle du variant d’histone H3.3 dans la spermatogenèse. H3.3 possède la capacité de remplacer l’histone canonique H3 dans la chromatine modifiant ainsi les propriétés épigénétiques de cette dernière. H3.3 est nécessaire à la spermatogenèse mais son rôle reste à élucider. Grace à plusieurs modèles murins, mes travaux de thèse ont montré que la forme H3.3B est essentielle à la reproduction masculine notamment pour la transition méiose/post-méiose. Lors de cette transition, on observe une forte régulation des piARN, des rétrotransposons et des chromosomes sexuels. Nos expériences révèlent pour la première fois que la perte de H3.3B provoque une chute de l’expression des piARN. À l’inverse, l’absence de H3.3B est aussi associée à une augmentation de l’expression de l’ensemble des gènes des chromosomes sexuels comme des rétrotransposons RLTR10B et RLTR10B2. Ces changements d’expression se traduisent par une spermatogenèse altérée et une infertilité. Par des expériences de ChIP-seq, nous avons observé que H3.3 est fortement enrichie sur les piRNA, les rétrotransposons RLTR10B et RLTR10B2 et l'ensemble des chromosomes sexuels. Toutes ces expériences ont permis de mieux caractériser la fonction régulatrice de l’histone H3.3B au cours de la spermatogenèse. En particulier, elles démontrent que H3.3B, en fonction de sa localisation sur la chromatine, intervient dans la régulation positive ou négative de l'expression de régions chromatiniennes définies. Ces résultats montrent l’importance des contrôles épigénétiques au cours de la spermatogenèse et ouvrent de nouvelles pistes dans la compréhension des causes d’infertilité masculine. / In last decades, male fertility has been steadily declining worldwide. Even if environmental factors have an undeniable responsibility, the fact remains that both genetic and epigenetic alterations also seem to be widely implicated. The understanding of the epigenetic mechanisms that regulate male fertility is recent but essential to develop a new therapeutic approaches. In this context, the objective of my thesis work focused on the study of the role of histone variant H3.3 in spermatogenesis. H3.3 has the ability to replace the H3 canonical histone in chromatin thus modifying the epigenetic properties of chromatin. H3.3 is necessary for spermatogenesis but its role remains unclear. Used to several mouse models, my thesis work has shown that the H3.3B form is essential for male reproduction and especially for the meiosis/post-meiosis transition. During this transition, there is a strong regulation of piRNAs, retrotransposons and sex chromosomes. Our experiments reveal at the first time that the loss of H3.3B resulted in down-regulation of the expression of piRNA. In contrast, the absence of H3.3B is also associated with increased expression of all sex chromosom genes as well as of both RLTR10B and RLTR10B2 retrotransposons. These expression changes result in altered spermatogenesis and infertility. By ChIP-seq experiments, we observed that H3.3 is markedly enriched on the piRNA clusters, RLTR10B and RLTR10B2 retrotransposons and the whole sexual chromosomes. All these experiments allowed bettering characterizing the regulatory function of histone H3.3B during spermatogenesis. In particular, he demonstrates that H3.3B, depending on its chromatin localization, is involved in either up-regulation or down-regulation of expression of defined chromatin regions. These results show the importance of epigenetic controls during spermatogenesis and open new tracks for understanding the causes of male infertility.

Development, Growth & Differentiation: This is the peer reviewed version of the following article: Heterogeneity of chromatoid bodies in adult pluripotent stem cells of planarian Dugesia japonica, which has been published in final form at [Link to final article using the DOI10.1111/dgd.12268]. This article may be used for non-commercial purposes in accordance with Wiley Terms and Conditions for Self-Archiving. / 京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第19540号 / 理博第4200号 / 新制||理||1603(附属図書館) / 32576 / 京都大学大学院理学研究科生物科学専攻 / (主査)教授 阿形 清和, 教授 森 和俊, 教授 大野 睦人 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

In this study we build solutions to three common challenges in the fields of bioinformatics through utilizing statistical methods and developing computational approaches. First, we address a common problem in genome wide association studies, which is linking genotype features within organisms of the same species to their phenotype characteristics. We specifically studied FHA domain genes in Arabidopsis thaliana distributed within Eurasian regions by clustering those plants that share similar genotype characteristics and comparing that to the regions from which they were taken. Second, we also developed a tool for calculating transposable element density within different regions of a genome. The tool is built to utilize the information provided by other transposable element annotation tools and to provide the user with a number of options for calculating the density for various genomic elements such as genes, piRNA and miRNA or for the whole genome. It also provides a detailed calculation of densities for each family and subamily of the transposable elements. Finally, we address the problem of mapping multi reads in the genome and their effects on gene expression. To accomplish this, we implemented methods to determine the statistical significance of expression values within the genes utilizing both a unique and multi-read weighting scheme. We believe this approach provides a much more accurate measure of gene expression than existing methods such as discarding multi reads completely or assigning them randomly to a set of best assignments, while also providing a better estimation of the proper mapping locations of ambiguous reads. Overall, the solutions we built in these studies provide researchers with tools and approaches that aid in solving some of the common challenges that arise in the analysis of high throughput sequence data.

Une grande partie du génome des eucaryotes est constituée d’éléments transposables(ET). Ces séquences d’ADN répétées ont la capacité de se déplacer d’un site chromosomiqueà un autre et de multiplier le nombre de leurs copies, pouvant ainsi être la cause d’uneinstabilité génétique. Face à ce potentiel de mutagénèse, un certain nombre de systèmes ontété sélectionnés dans les génomes eucaryotes qui conduisent à une réduction de l’activité desET. Notamment, chez la drosophile, on a récemment mis en évidence des mécanismes derégulation impliquant les modifications d’histones, et une nouvelle classe de petits ARN,appelés piARN, qui contrôlent spécifiquement les éléments transposables dans les tissusreproducteurs.tirant est un rétrotransposon à LTR de la drosophile, de type Gypsy, isolé au sein dulaboratoire dans les populations naturelles de D. simulans, où le nombre de ses copies estvariable entre populations. Cet ET possède la même structure génomique que les rétrovirus.Dans la première partie de cette thèse, j’ai caractérisé un élément tirant actif dans lespopulations naturelles de D. simulans. Je me suis intéressé en particulier au gène de laprotéine d’enveloppe (env), qui confère le caractère infectieux du rétrovirus. La comparaisondes transcrits et de la protéine du gène env entre populations de D. simulans a montré quetirant est actif dans une population, et cette activation est associée à sa mobilisation, alors quedans les autres populations tirant est présent, mais régulé.Dans la deuxième partie de mon travail, je me suis intéressé à l’étude de l’influence detirant sur la structure de la chromatine au niveau de son site d’insertion et à son influence surl’expression des gènes voisins. J’ai étudié trois modifications d’histones dans troispopulations naturelles, dont une où tirant est inséré dans un intron du gène tkv. Les résultatsobtenus montrent que tirant est capable de modifier la structure de la chromatine au niveau deson site d’insertion, mais aussi en amont, par l’hétérochromatinisation d'un promoteur du gènetkv, en affectant ainsi son taux de transcription.Enfin, je me suis intéressé à la régulation post-transcriptionnelle de tirant par lespiARN. Par l’analyse de croisements intraspécifiques entre des souches contenant ou non descopies de tirant dans l’euchromatine, j’ai montré qu’une régulation post-transcriptionnelle parles piARN germinaux qui contrôle tirant dans les cellules folliculaires de l’ovaire. J’ai aussipu montrer une expression variable entre populations des gènes de la voie piARN. / Eukaryotic genomes harbor a wide variety of repeated sequences, such as transposableelements (TE). These sequences are able to move from one chromosomal site to another, tomultiply their number of copies, and can be the cause of a genetic instability. Sophisticatedgenomic defenses have evolved to restrict their activity. In Drosophila, epigeneticmodification such as post-translational histone modifications and RNAi interference areinvolved in TE silencing in reproductive tissues. The silencing of an LTR like element, tirant,has been deeply analyzed in this work. Tirant is a Gypsy like element, isolated in ourlaboratory in natural populations of D. simulans, in which a high level of copy numbervariability is observed between strains.Here, I first describe an active tirant element in natural populations of D. simulans. Ihave focused on the envelope protein gene (env), which confers the infectious behavior to theretrovirus. By comparison of tirant transcripts level and protein localization between naturalpopulations of D.simulans, I showed that tirant is active in one population, and this activationis correlated with its mobilization.I then focused on the effects of TE insertions on chromatin structure and in its influenceon the expression of the nearby genes. I studied three histone modification marks in threenatural populations, in the locus in which tirant was inserted. I show that tirant is associatedwith repressive marks and active marks, which explains the activity of the element. We alsoshowed that tirant modifies the structure of the chromatin at the level of its site of insertion,but also upstream, by the heterochromatinization of the promoter of tkv gene, interfering withthe level of transcription of the gene.Finally, I was interested in the post-transcriptional regulation of tirant involving thepiRNA pathway. By crossing D.simulans strains which contains different copy numbers ofthe tirant element, I showed that tirant is regulated in the follicular cells by the germ linepiRNA pathway. I was also able to show a variable expression between populations of theproteins of the piRNA pathway.