Evolution Moléculaire et Phylogénie

Evolution Moléculaire et
Phylogénie
Dominique Mouchiroud
[email protected]
Plan du cours
I. L’évolution moléculaire
I1. Le cadre théorique
I2. Les données et les questionnements
II. Evolution de quelques traits moléculaires
II.1 Composition en Base des Génomes
II.2 Taux d’évolution
II.3. Taille des génomes
Biométrie et Biologie Evolutive, UMR5558, Lyon I
Bioinformatique et Génomique Evolutive
III. Conclusion
Traits moléculaires
Etude des processus évolutifs en relation
avec les composantes écologiques
La taille des génomes
http://www.genomesize.com
Génome nucléaire et cytoplasmique
Dr. T Ryan Gregory
Taille des populations
Génomique évolutive
Taille des génomes
Composition en base
Répartition des ETs
Taux d’évolution
Packaging de ll’ADN
ADN
……
Traits Moléculaires
Ecologie évolutive
Dérive génétique
Composante adaptative
Durée de génération
Activité métabolique
Longévité
Masse corporelle
Mode de vie
Système de reproduction
Traits d’Histoire de Vie
1pg = 978 Mb
1
Variation de taille à l’échelle du vivant
Michael Lynch (1960)
Professeur à l’université du Minnesota
Théorie des p
processus évolutifs non adaptatifs
p
(Lynch M. , 2032, 2006, PNAS 2010, MBE 2012)
Rôle essentiel de la dérive génétique (processus neutre)
dans la mise en place de la complexité des génomes des
organismes vivants.
The Evolution of Genome Complexity. Despite the common view that a causal link exists
between complexity at the genomic and organismal levels, little thought has gone into the
mechanisms that are responsible for the origin of the fundamental features of the eukaryotic
genome
genome.
Using population-genetic principles as a guide to understanding the evolution of duplicate
genes, introns, mobile-genetic elements, and regulatory-region complexity, our work is
advancing the hypothesis that much of eukaryotic genomic complexity initially evolved as a
passive indirect response to reduced population size (relative to the situation in prokaryotes).
Expansion du nombre de gènes avec l’évolution de la multicellularité
Cause ou Effet ?
Vertebrata
30,000 – 50,000
Urochordata
16,000
Arthropoda
14,000
Nematoda
21,000
Fungi
2,000 – 13,000
Vascular plants
25 000 – 60,000
25,000
60 000
Unicellular sps.
5,000 – 10,000
Hypothèse non adaptative
100%
10%
1%
100%
10%
1%
100%
10%
1%
Prokaryotes
500 - 7,000
2
Modèle d’évolution neutre
u= 5 10-11 – 5 10-10
Ne > 108
• A l’équilibre, le nombre moyen de mutations fixées (substitutions) aux sites
neutres est égal au nombre moyen de mutations qui ségrègent dans la
population,
l i
• Le taux de polymorphisme ou diversité génétique attendu sous le modèle
neutre est égal à
107 > Ne > 108
4Neµ
avec µ : taux de mutation
Ne : nombres d’allèles par génome haploïde
sous l’hypothèse
l’h
thè d’une
d’
population
l ti infinie
i fi i d’allèle
d’ llèl
105 > Ne > 106
• La diversité génétique (taux de polymorphisme) mesurée pour chaque
organisme est donc un bon estimateur de Neµ
104 > Ne > 105
Lynch M, science 2003
Modèle de Lynch
L’augmentation
L’
t ti globale
l b l d
de lla ttaille
ill des
d génomes
é
et conjointement
j i
du nombre de gènes des procaryotes jusqu’aux eucaryotes
multicellulaires est liée à une réduction très importante de la taille
efficace des populations qui ont conduit à une augmentation de la
dérive génétique.
La dérive génétique a eu comme conséquence la prolifération de
composants génomiques (séquences répétées, éléments dupliquées,
etc) non éliminés par la sélection naturelle.
Génome de grande taille implique des chromosomes de grande taille
d’où des taux de recombinaison plus faibles par chromosome
d’où un fardeau génétique plus important
3
Hypothèse non adaptative
La structuration complexe des génomes apparaît comme une
réponse pathologique à une faible taille efficace et à la présence de
mutations délétaires :
•
•
•
•
Augmentation du nombre de gène – rétention des gènes dupliqués.
Régions régulatrices modulaires plus complexes.
Prolifération des introns (nucléaire)
Transposons et retrotransposons.
L’évolution adaptative est une conséquence secondaire d’une telle
complexité.
Modèle d’évolution de la taille des génomes
Au niveau populationnel :
Relation entre taille efficace et masse corporelle
10-7 individus /M2 pour les vertébrés de grande taille
1011 individus /M2 pour les eucaryotes unicellulaires
Au niveau génomique (Lynch M):
Relation entre taille des génomes et taux de mutation
impact sur le turnover génomique ou fardeau mutationnel
Relation entre taille des génomes et taille efficace
impact sur les effets de la sélection purificatrice
Modèle de Lynch :
modèle non adaptatif (effet dérive génétique (Ne) et taux de
mutations délétères)
Variation de taille à l’échelle du vivant
Théorie des processus évolutifs non adaptatifs
(Lynch M. , 2003, 2006, PNAS 2010, MBE 2012)
Débat sur l’hypothèse de la taille efficace :
4
Problèmes avec l’estimation de Neµ :
- utilisation de la diversité actuelle aux sites silencieux
(Daubin and Moran 2004 )
structure de la population
cycle de vie – système de reproduction
- taux de mutation différents selon les taxons
- taille efficace Ne est un facteur confondant
(masse corporelle, reproduction, etc)
- échantillonnage taxonomique réduit (peu d’espèces de
grande taille)
- pas prise en compte de l’inertie phylogénétique
(Whitney – Garland, Plos Genetic 2010, 2011)
5
Variation de taille à l’échelle
d’un groupe taxonomique
- Evolution de la taille des génomes procaroytes
-Evolution de la taille des génomes de mammifères
et d’oiseaux
Evolution de la taille des génomes procaryotes
Candidatus Carsonella ruddii
Gamma bactérie
Endosymbiote des psyllides
16,6% GC
159Kb – 182 p
protéines
Nakabachi A science 2006
Relation taille/GC des génomes procaryotes
Sorangium cellulosum
Gram négatif
Myxobactérie du sol
13 034Kb – 10 000 gènes
S h ik ett all N
Schneiker
Nature
t
bi
biotech.
t h 2007
?
Nanoarchaeum equitans
Archée symbiote parasite
D’une autre archée Ignicoccus
490Kb – 536 gènes
Sabyasachi BMC Genomics 2006
Methanosarcina acetivorans
Archée p
producteur de méthane
42,7% GC
5 751 Kb – 4524 protéines
6
Evolution de la composition en GC des bactéries
endosymbiotiques
Composition en GC :
adaptation et/ou dérive génétique
- Existence d’un biais mutationnel vers AT universel (Hershberg,
2010),
- Bactéries endosymbiotiques évoluent sous dérive et expriment un
fort biais mutationnel vers AT associé avec une forte réduction
de taille de leur génome,
- Bactéries libres avec des valeurs de Ne élevées peuvent fixer par
sélection des variants à fortes valeurs adaptatives (GC par
exemple),
C l t
Calyptogena
Symbionte de
palourdes
(1) Relaxation des pressions de sélection (Ne )
Hirokazu et al, extremophiles 2008
(2) Taux de substitutions très élevés (délétions, substitutions
(3) Réduction de la taille du génome (perte de gènes de réparation)
- Augmentation en GC pour répondre à des contraintes environnementales
(T°, oxygène, ….)
- Bactéries libres avec des valeurs de Ne élevées peuvent fixer par
biais de conversion génique des variants GC (en relation avec la
recombinaison)
(4) Biais mutationnel vers AT (sélection en faveur du GC)
Hypothèse de travail :
gBGC et taille des génomes
• Les bactéries de g
grande taille présentent
p
un nombre de ggènes
important,
• Mise en place de la recombinaison pour réduire le fardeau
génétique lié à l’accumulation de mutations délétères sur un
nbre de gènes importants,
• La recombinaison s’accompagne d’un biais d’enrichissement
en GC.
Variation de taille à l’échelle
d’un groupe taxonomique
- Evolution de la taille des génomes procaryotes
- Evolution de la taille des génomes de mammifères
et d’oiseaux
7
Variation de la taille des génomes eucaryotes
multicellulaires
ADN informatif et non informatif
• La taille des génomes varie entre espèces,
– Sans relation avec le niveau de complexité de ll’organisme
organisme (nbre de
tissus) “paradoxe C”
• (ex. Homo sapiens 3 Gb : Amoeba dubia 670Gb)
– sans relation avec le nbre de chromosomes
• (ex Muntiacus muntjak vaginalis 6 chr. : Muntiacus reevesi 46 chr)
– sans relation avec le nbre de gènes “paradoxe G”
• (ex Drosophile 13 700 gènes, Nématode 20500 gènes, Paramécie 40 000 gènes)
• Solution
La taille des génomes est déterminée par le packaging des gènes” (introns,
séquences répétées, junk DNA, etc).
Gregory, Nature Reviews Genetics, 2005
Le turnover génomique
QUELQUES EXEMPLES
Amplification
•
•
•
•
•
•
La duplication génomique ou polyploïdisation,
La duplication chromosomique,
chromosomique
La duplication génique par recombinaison inégale (ectopique),
La transposition et la retrotransposition (pour ETs),
Les transferts horizontaux (chez les procaryotes),
La création de nouveaux gènes.
Contraction


La délétion génique par recombinaison inégale (ectopique)
Les microdélétions par dérapage de la polymérase
Une très forte activité des transposons
p
a conduit à un doublement
du génome du maïs 1,2 billions à 2,4 billions au cours de 3 millions
d’années.
Chez la drosophile, le taux de délétion de l’ADN est 60 plus
élevé que chez les mammifères alors que le criquet (Laupala)
qui a un taux de délétion 40 fois plus lent, a un génome 11 fois
plus important.
Mol Biol Evol. 2001.
Genomic gigantism: DNA loss is slow in
mountain grasshoppers.
Bensasson D, Petrov DA, Zhang DX, Hartl DL,
Hewitt GM.
8
Mécanismes moléculaires
Turnover
génomique
Mutations
germinales
Pression sélective ou dérive génétique
Si Ne très petit, quelque soit la valeur de s, valeur sélective
s < 1/2Ne
la sélection ne peut opérer et la dérive génétique l’emporte
Processus popu
ulationnel
Phénotype
Si Ne grand et s ≠ 0
Ne
|s | > 1/2Ne
la sélection positive peut opérer
Fixation
Force évolutive s’exerçant sur la taille des génomes
Hypothèse de l’ADN égoïste
ADN poubelle (junk DNA Ohno 72) et/ou égoïste (Doolittle and Sapienza 80, Orgel
et Crick 80)
 Une part importante du génome est constituée d’éléments égoïstes
capable de proliférer jusqu’à ce que le coût pour l’hôte devienne
trop important,
i
la
l sélection
él i naturelle
ll agit
i pour contrer cette
expansion,
 La plus part de l’ADN non codant est constitué d’ADN égoïste.
Mais….
 Les contributeurs majeurs à la taille du génome (intron, ADN
faiblement répété,
répété …)) ne sont pas auto-réplicatifs,
auto réplicatifs
 Une part non négligeable de l’ADN non codant est fonctionnel
(micro RNA,….),
 La tolérance pour l’accumulation de l’ADN évolue linéairement
avec la taille des cellules.
Hypothèse adaptative (1)
Théorie du nucléosquelette : sélection directe sur l’ADN
Théorie du bodyguard (Hsu 75, Cabvalier-Smith 78)
Régulation sectorielle des gènes (Zuckerkandl 76,92,97)
• Co-evolution entre taille du noyau
y et taille de la cellule,,
• L’ADN agit en tant que nucléosquelette autour duquel le noyau
est assemblé,
• Les cellules de grande taille imposent une pression de sélection
sur la taille du noyau (contrainte physique liée au flux de
transcrits (production et transport))
MAIS ….
Relation de proportionnalité entre la quantité de protéines produites
et la taille de la cellule ou la taille du noyau ?
Autres mécanismes de régulation de la transcription (nombre de
ribosome, durée de vie des transcrits,…)
9
Hypothèse adaptative (2)
Relation taille du noyau et taille des hématies
(1875)
Théorie nucléotypique : sélection indirecte sur l’ADN
(Vinogradov 97,98,04,Gregory 01,03,08,09)
Erythrocytes
 La quantité d’ADN non informatif est le produit indirect de la
sélection naturelle,
 La taille du génome est liée au volume nucléaire, à la taille de
la cellule et à la vitesse de division cellulaire, composants qui
influencent des traits d’histoire de vie comme la vitesse de
développement ou l’activité métabolique,
 Cette théorie adaptative de l’évolution de la taille des génomes
repose sur des approches corrélatives entre la taille du génome
et des traits phénotypiques sous sélection (nature des
pressions, cause ou conséquence ?).
Lungfish « Neoceratodus forsteri »
2C=105 pg
Poisson « Betta splendens »
2C=1,3 pg
Salamandre
S
l
d «A
Amphiuma
hi
means »
2C = 168 pg
Homme « Homo sapiens »
2C = 7,0 pg
Taille du génome et volume cellulaire
au sein des Chordés
N=159
N
159 espèces
Agnathes
Chondrychthyens
Urodèles
Anoures
Téléostéens
oiseaux
Reptiles
Gregory, 2001
10
ADN
Taille du génome
Noyau
Volume nucléaire
Rapport Surf cell. / Vol. cell.
Cellule
Métabolisme énergétique
Croissance cellulaire
Division cellulaire
Cellule de petite taille – Génome de petite taille –
Métabolisme énergétique élevé – Division cellulaire rapide
Interaction taille du génome et composants cellulaires
Niveau de l’organisme ?
Relation entre traits d’histoire de vie et taille
des génomes chez les homéothermes
Relation entre traits d’histoire de vie et taille
des génomes chez les homéothermes
Quelque soit le niveau taxonomique
il existe une relation très forte entre
la masse corporelle et le taux
métabolique basal.
Il existe une relation forte entre la
taille des génomes et le taux
métaboliq e Cet effet aaugmente
métabolique.
gmente
relativement avec le niveau
taxonomique
Vinogradov, 95
Vinogradov, 95
11
Taille des génomes et aptitude au vol
Chandler, Proc, 2009
Chandler et al Proc R Soc B
Correction pour la masse corporelle
Passereaux
R=0,32 p<0,005
N=74
passereaux
Correction pour l’inertie phylogénétique
R 0 39 p<0,001
R=0,39
0 001
Relation taille des cellules et taille du génome
Bleu : amphibien
Marron : mammifère
Vert : reptile (non aviaire)
Rouge : oiseau
Pourquoi les
mégachiroptères
ont-elle un génome de
plus
petite taille que les
Microchiroptères
compte tenu
de leur masse
corporelle ?
Biology Letters, Organ et al 2008
Fossil cell siz
Ptérosaure
Pté
70 MA avant les
oiseaux
Inférence de la
taille du génome
des archosaures
Biology Letters, Organ et al 2008
12
Hypothèse adaptative
Hypothèse adaptative (2)
• Chez les vertébrés homéothermes, il existe un lien corrélatif
génomes,, la taille des cellules (érythrocyte,
( y
y ,
entre la taille des g
ostéocyte) et l’activité métabolique des organismes.
• Ces relations (taille génome/taille cellule) permettent de faire
des inférences sur la taille des génomes d’organismes fossiles.
Stratégie adaptative :
Augmentation de la demande énergétique en relation avec
l’activité liée au vol.
• Chez les amphibiens, un lien corrélatif a été
observé entre la taille du ggénome et le type
yp de
développement,
• Les amphibiens présentant un grand génome,
présentent des cellules de grande taille, un cycle
cellulaire plus long, une vitesse de croissance et de
différenciation plus réduite conduisant à un
développement de type néoténique.
Stratégie adaptative :
Réduction de la demande énergétique en période de limitation
des ressources.
ADN
Taille du génome
ADN
Taille du génome
Noyau
Volume nucléaire
Noyau
Volume nucléaire
Rapport Surf cell. / Vol. cell.
Cellule
Métabolisme énergétique
Croissance cellulaire
Rapport Surf cell. / Vol. cell.
Cellule
Division cellulaire
Métabolisme énergétique
Croissance cellulaire
Division cellulaire
Stratégie W/F
Organisme
Vitesse de
Développement
Métabolisme basal
Organisme
Longévité
Milieu
Pressions de sélection
Vitesse de
Développement
Métabolisme basal
Longévité
Milieu
Pressions de sélection
13
Conclusion (1)
•
La forte variabilité de la taille des génomes due en grande partie à l’amplification
des séquences répétées (ETs) conduit à des effets pléïotropes sur des traits soumis
à sélection chez l’hôte .
•
Les corrélations observées
–
–
Au niveau subcellulaire
• Taille du noyau, de la cellule
• Durée du cycle cellulaire
Au niveau organismique
• Masse corporelle
• Activité métabolique basale (vertébrés homéothermes)
• Vitesse de développement
• Durée de génération
• Durée de la mitose et de la meiose
• Taille des grains de pollen
• Durée de développement embryonnaire (amphibien)
• Complexité morphologique du cerveau (amphibien)
• Longévité ?
Conclusion (2)
• Les mécanismes moléculaires impliqués dans les variations de
taille génomique sont :
– Biais dans les processus insertion/délétion de l’ADN (cf
drosophile, criquet)
– Biais dans l’efficacité de réparation de l’ADN
– Fréquence des évènements de duplication (géniques ou
génomiques) (cf plante,
plante poisson)
suggèrent fortement que la sélection naturelle joue un rôle important dans l’évolution
de la taille des génomes bien que la nature exact des pressions sélections restent à déterminer
GBE, 2012
Conclusion (3)
• Les variations de taille génomique notamment
ll’expansion
expansion des rétroéléments voir des duplications
sont également conditionnées par :
– Pression environnementale (ressources, ….)
– Système de reproduction (autogame, allogame)
– Taille efficace de la population (masse corporelle)
Conclusion
• Les deux modèles évolutifs « réduction de Ne » et «
effet nucléotypique » agissent simultanément sur la
taille des génomes mais à des échelles de temps
différentes (niveau taxonomique).
• Les forces évolutives qui jouent sur la taille des
génomes dépendent de la biologie, de la physiologie et
de l’écologie des organismes.
14
Conclusion
Evolution de traits moléculaires
Composition en Base des Génomes
Taux d’évolution
Taille des génomes
La génomique évolutive
Comprendre les processus à l’origine de la dynamique des génomes
- nécessaire pour reconstruire l’évolution de la vie
- nécessaire pour comprendre le contenu et le fonctionnement
des génomes
mécanismes moléculaires + processus populationnels + environnement
Processus mutationnel
Neutre / Dérive génétique
Sélection adaptative
Non adaptatif / Biais de conversion génique
Importance de la taille efficace
Relation u (taux de mutation), S (coefficient de sélection),
R (taux de recombinaison) et Ne (taille efficace)
Relation avec les traits d’histoire de vie
Relation Masse corporelle et Ne
Relation Masse corporelle, longévité, durée de génération, activité
métabolique
Réplication (u)
Réparation
Recombinaison
Activité télomérase
Remaniement chromosomique
Taille de la population
Mode d’appariement
Sociabilité
……..
Latitude
Température
Rayonnement UV
……..
15