Origin and evolutionary trajectory of microRNA genes in Arabidopsis species
Origine et trajectoire évolutive des gènes de microARN chez les espèces d'Arabidopsis
Résumé
Understanding the origins of genomic novelties is a central question in evolutionary biology. Differences in the regulation of gene expression are an important cause of phenotypic variability, and microRNAs (miRNAs) have emerged as pivotal regulators of gene expression in plant and animal genomes. miRNAs negatively regulate gene expression at the post-transcriptional level by interacting with messenger RNA targets. While some miRNAs are deeply conserved, many appear to be species-specific, raising the question of how they emerge and integrate into cellular regulatory networks. However, we still lack a proper understanding of the evolutionary origins of new miRNA genes and of the processes by which they progressively become functionally specialized. In my PhD project, I focused on two closely related species of the plant genus Arabidopsis, A. halleri and A. lyrata that diverged about one million years ago. In the first chapter, I used a large set of small RNA sequencing (sRNA-seq) data, to perform a detailed annotation of miRNA genes in the A. halleri and A. lyrata genomes. I investigated the conservation status of these miRNA genes among eighty five plant species to characterize the process by which newly emerged miRNA genes progressively acquire the properties of “canonical” miRNA genes over the course of evolution (in terms of features of the hairpin precursor, level of polymorphism in natural populations, loading into Argonaute proteins and number of target genes). Overall, my results suggest a rapid birth-and-death process of the miRNA repertoire, whereby “proto” miRNA genes appear steadily with little to no functional constraint, only a small number of which will be maintained over time and eventually integrated into "core" biological processes. In the second chapter, I reasoned that since species-specific miRNAs have emerged recently, they may have retained a record of their mutational origin. To test this idea, I evaluated the relative contribution of several proposed sources of miRNA genes (other miRNA genes, protein-coding genes, transposable elements, non-coding intergenic DNA) by comparing their genomic sequences to databases of these putative evolutionary progenitors. Overall, this thesis provides a detailed picture of the micro- and macro-evolution of miRNA genes in the Arabidopsis genus. The results it contains show that the regulatory network constituted by miRNA genes and their target genes can be either rapidly rewired or remain stable over extended evolutionary times. They provide insight into the evolutionary significance of the fluidity of the repertoire of miRNA genes in plant genomes.
Comprendre les origines des nouveautés génomiques est une question centrale en biologie évolutive. Les différences dans la régulation de l'expression des gènes sont une cause importante de la variabilité phénotypique, et les microARNs (miARNs) sont apparus comme des régulateurs essentiels de l'expression des gènes dans les génomes végétaux et animaux. Les miARNs régulent négativement l'expression des gènes au niveau post-transcriptionnel en interagissant avec les cibles ARN messager. Si certains miARNs sont profondément conservés, beaucoup semblent être spécifiques à une espèce, ce qui soulève la question de savoir comment ils émergent et s'intègrent dans les réseaux de régulation cellulaire. Cependant, nous ne comprenons toujours pas bien les origines évolutives des nouveaux gènes de miARN et les processus par lesquels ils se spécialisent progressivement sur le plan fonctionnel. Dans le cadre de mon projet de doctorat, je me suis concentrée sur deux espèces étroitement apparentées du genre Arabidopsis, A. halleri et A. lyrata, qui ont divergé il y a environ un million d'années. Dans le premier chapitre, j'ai utilisé un grand nombre de données de séquençage de petits ARNs pour réaliser une annotation détaillée des gènes de miARN dans les génomes d'A. halleri et d'A. lyrata. J'ai étudié l'état de conservation de ces gènes de miARN parmi quatre-vingt-cinq espèces de plantes afin de caractériser le processus par lequel les gènes de miARN nouvellement apparus acquièrent progressivement les propriétés des gènes de miARN "canoniques" au cours de l'évolution (en termes de caractéristiques du précurseur en épingle à cheveux, de niveau de polymorphisme dans les populations naturelles, de chargement dans les protéines Argonaute et de nombre de gènes cibles). Dans l'ensemble, mes résultats suggèrent un processus rapide de naissance et de mort du répertoire des miARNs, par lequel des "proto" gènes de miARN apparaissent régulièrement avec peu ou pas de contraintes fonctionnelles, et dont seul un petit nombre sera maintenu au fil du temps et finalement intégré dans des processus biologiques "centraux". Dans le deuxième chapitre, j'ai émis l'hypothèse que les miARNs spécifiques à une espèce étant apparus récemment, ils pourraient avoir conservé une trace de leur origine mutationnelle. Pour tester cette idée, j'ai évalué la contribution relative de plusieurs sources proposées de gènes de miARN (autres gènes de miARN, gènes codant pour des protéines, éléments transposables, ADN intergénique non-codant) en comparant leurs séquences génomiques aux bases de données de ces progéniteurs évolutifs supposés. Dans l'ensemble, cette thèse fournit une image détaillée de la micro- et de la macro-évolution des gènes de miARN dans le genre Arabidopsis. Les résultats qu'elle contient montrent que le réseau de régulation constitué par les gènes de miARN et leurs gènes cibles peut être rapidement remanié ou rester stable sur de longues périodes d'évolution. Ils donnent un aperçu de la signification évolutive de la fluidité du répertoire des gènes de miARN dans les génomes végétaux.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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