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Les processus de l'évolution La vie grâce aux mutations ! Laurent Duret Laboratoire de Biométrie et Biologie Evolutive, CNRS, Université Lyon 1 Qu’est-ce que la vie? Dépots sel cuivrique Champignon Carbure silicium Algue rouge Cristaux de glace Corail Qu’est-ce que la vie? Diatomée (microalgue) Lithoptera mulleri (plancton) Cristaux de carbonate de calcium Fougère Cristaux de glace Propriétés fondamentales des organismes vivants Reproduction: créer de façon autonome d'autres entités similaires à soi-même. Evolution: reproduction PRESQUE à l’identique Sans mutation, pas d’évolution Sans évolution, pas de vie Les processus de l'évolution Diversité et unicité du vivant Nature et causes des mutations Les conséquences phénotypiques des mutations Le devenir des mutations: Sélection naturelle Dérive génétique Comment tirer parti de l'évolution pour déchiffrer les génomes La diversité du monde vivant La diversité du monde vivant Unicité du monde vivant La cellule: unité de base des organismes vivants Acides nucléiques (ADN, ARN): support de l’information nécessaire au développement et au fonctionnement des organismes Expression de l’information génétique: ADN ARN protéine Code génétique universel (presque) Machinerie d’expression des gènes conservée chez tous les organismes vivants (bactéries, archées, eucaryotes) Unicité du monde vivant Comparaison de séquences de génomes Génome de mammifère: ≈20,000 gènes Primates/carnivores: ≈19,000 gènes homologues Homologues chez insectes: ≈10,000 gènes Homologues chez champignons: ≈5,000 gènes Homologues chez plantes: ≈6,000 gènes Homologues chez bactéries ou archées: ≈3,800 gènes Unicité et Diversité du monde vivant Les organismes vivants ont évolué à partir d’un même ancêtre commun LUCA: Last Universal Common Ancestor (Cf exposé M. Gouy) Le secret de l’hérédité Avery et al. (1944): l’ADN est le support de l’information génétique Watson, Crick, Franklin (1953): structure en double hélice de la molécule d’ADN Le secret de l’hérédité ADN: structure en double hélice = reproduction (réplication de l’information nécessaire au développement d’un organisme) Le secret de la vie: réplication PRESQUE à l’identique Mutation = modification du matériel génétique = modification de la séquence d'ADN Mutations ponctuelles: modifications très locales Mutations larges: modifications de grands fragments génomiques, réarrangements chromosomiques Erreurs de la machinerie cellulaire, action d'agents mutagènes biotiques (parasites intragénomiques) ou abiotiques (radiations, mutagènes chimiques, ...) Processus mutationnels: l’exemple du génome humain Un génome animal ordinaire (mais bien connu) Variabilité phénotypique très bien étudiée (maladies) Taille du génome haploïde: 3 109 pb 22 paires d’autosomes + une paire de chromosomes sexuels (X, Y) 20,000 gènes protéiques Les régions codantes de ces gènes représentent 1% du génome Les mutations ponctuelles AGCTGTCTC -> AGCCGTCTC Génome humain: 2 à 3 10-8 mutations ponctuelles/pb/génération Principalement dues à des erreurs de la machinerie de réplication => 60 à 90 mutations ponctuelles par gamète => chaque individu (2n) est porteur d'environ 120 à 180 mutations nouvelles (i.e. qui n'existaient pas dans les génomes de ses parents) La plupart des maladies génétiques humaines répertoriées à ce jour sont la conséquence de mutations ponctuelles (dans des régions régulatrices Taux de mutation / pb / génération Comparaison de différents groupes taxonomiques Taux de mutation / pb / an Homme vs. Escherichia coli: Taux de mutation / pb / génération: environ x100 Temps de génération: environ x 105 (20 ans vs. 1- 2 h) Taux de mutation / pb / an : de l'ordre de 1/1000 Taux de mutation HIV: virus du SIDA: 5 10-6 mutations / pb / génération (environ 100x mammifères) Evolution mesurable au cours de l'infection d'un individu Résistance au système immunitaire, au traitements antiviraux Mutations ponctuelles: l’effet du sexe Nombre de divisions cellulaires dans la lignée germinale à chaque génération (zygote -> gamète) Femme: ≈ 33 divisions cellulaires Homme: ≈ 200 divisions cellulaires (à 20 ans) Plus de réplications dans la lignée mâle => plus d’opportunités de mutations Quantification de l’effet du sexe: comparaison des vitesses d’évolutions des chromosomes sexuels et des autosomes Temps passé dans les lignées mâles et femelle au fil des générations: Autosomes 50% 50% X 33% 66% Y 100% 0% Divergence homme/chimpanzé (nombre de substitutions/pb) Taux de mutations ponctuelles dans l’espèce humaine: 6 fois plus élevé chez les mâles Chromosome Parmi les ≈150 mutations nouvelles dont chaque individu est porteur, environ 20 proviennent de sa mère, 130 de Mutations induites par l’activité de parasites intragénomiques Rétrovirus: virus intégrant son propre génome dans le génome de son hôte Eléments transposables: éléments capables de se dupliquer et de se déplacer dans les génomes: Via un intermédiaire ADN (transposons) Via un intermédaire ARN (rétrotransposons) Rétrovirus et éléments transposables Rétrovirus Rétrovirus: Transcription inverse transmission horizontale (infection) ADN intégration ARN transcription Rétrotransposon: Cellule transmission verticale Noyau Transcriptase inverse: Rétrovirus Rétrotransposon LTR gag pol env LTR Rétrovirus endogène Rétroposon Rétrotransposon non-autonome Eléments transposables: 44% du génome humain SINE (rétrotransposon non-autonome) LINE (rétroposon) Rétrovirus endogènes Transposons Autres séquences répétées Séquences non-répétées Principales classes d’éléments transposables dans le génome huma LINE ORF1 gag (gag) transposase Transposon s AAAA AAAA SINE Rétrovirus endogènes ORF2 (pol) pol autonome Nombre de Fraction Taille copies du génome 6-8 kb 850 000 20% non-autonome 100-300 pb 1 500 000 (env) autonome 6-11 kb 13% 450 000 8% 300 000 3% non-autonome 1,5-3 kb autonome 2-3 kb non-autonome 80-3000 pb Eléments transposables: dispersés dans tout le génome Fragment du chromosome Y bovin Eléments transposables dans le génome humain Dispersés dans tout le génome: à l’intérieur des gènes (dans les introns) et entre les gènes La plupart des copies présentes dans notre génome sont des "fossiles moléculaires": éléments transposables défectifs, incapables de transposer Environ 80-100 copies de LINEs et quelques milliers de SINEs encore actifs: À chaque génération, 1 individu sur 20 porteur d'une nouvelle insertion Conséquences de l'activité des éléments transposables Insertion dans les régions codantes d'un gène => inactivation du gène Insertion à proximité d'un gène => perturbation de la régulation de l’expression du gène Environ 50 cas décrits de maladies génétiques humaines causées par des insertions d'éléments transposables Faible activité chez les primates par rapport à d'autres taxons (e.g. maïs, drosophiles, …) Mutations par duplication ou délétion de fragments génomiques (1): à Lespetite duplications ou délétions(quelques sont favorisées par la échelle pb) présence de petits motifs répétées (généralement 1 à 5 pb) Dérapage de l'ADN polymérase: 5'-CA-> 5'-CACACACAC-> 5'-CACACACACACACACACACA-3' 5'-CACACACAC-> 5'3'-GTGTGTGTGTGTGTGTGT 5' 3'-GTGTGTGTGTGTGTGTGT-5' Mutations par duplication ou délétion de fragments génomiques (1): à Environ 20 à échelle 30 maladies génétiques humaines petite (quelques pb) causées par des expansions de motifs répétés e.g. chorée de Huntington (dégénérescence neuronale): Le gène JPH3 contient des répétitions de la séquence CAG La nombre de répétitions est variable dans la population normale (6 à 26 fois) Le nombre de copies peut augmenter ou diminuer au fil des générations en raison des erreurs de réplication au cours de la gamétogénèse Si le trinucléotide est répété plus de 36 fois, la personne a un fort risque de développer la maladie Mutations par duplication ou délétion de fragments génomiques (2): Recombinaison entre séquences homologues à grande échelle présentes à des locus différents (e.g. éléments transposables) Recombinaison normale: alignement de chromosomes homologues Recombinaison inégale Mutations par duplication ou délétion de fragments génomiques (2): L'abondance des éléments transposables dispersés à grande échelle dans le génome favorise les évènements de recombinaison inégale Gène Duplications ou perte de gènes: Recombinaison inégale Gène Gène Mutations par duplication ou délétion de fragments génomiques (2): grande Duplication deà gènes: opportunitééchelle d'évoluer vers de nouvelles fonctions Génome humain: la majorité des 20,000 gènes font partie de familles multigéniques (duplication = processus majeur d'innovation génique chez les eucaryotes) Mutations par duplication ou délétion de fragments génomiques (2): à grande échelle Evolution de la famille de gènes de globines Mutations par duplication ou délétion de fragments génomiques (2): grande Conséquencesà fonctionnelles deséchelle duplications: Long terme (dizaines de millions d'années): innovations fonctionnelles Court terme: dosage génique => niveau d'expression Ces évènements de duplication/délétion font que les génomes de 2 individus présentent en moyenne 24 à 70 Mb de différence (1% à 2%) Répertoire génique de 2 individus: ± 200 à 600 gènes ! Réarrangements chromosomiques Inversions, translocations chromosomiques, fusion or fissions chromosomiques ... Réarrangements favorisés par la présence d'éléments transposables Problèmes de ségrégation des chromosomes à la méiose suivante Cause de stérilité Polyploïdisation: duplication globale du génome Evènements rares mais récurrents au cours de l'évolution des eucaryotes (plantes, animaux, champignons, protistes) Mécanismes méconnus: Problème de ségrégation des chromosomes à la méiose Hybridation entre espèces proches (e.g. blé, colza) Favorisé par autofécondation Doublement du répertoire génique, suivi de pertes massives de gènes (re-diploïdisation) sur le long terme (dizaines de millions d'années) Une fraction des gènes dupliqués impliqués dans l'évolution de nouvelles fonctions Origine des nouveaux gènes Duplication: Recombinaison inégale, duplication de génome Cluster de gènes Hox Origine des nouveaux gènes Duplication: Recombinaison inégale, duplication de génome Rétrotransposition (rétrogène) Formation de gènes chimères (réarrangements de gènes pré-existants) Acquisition de gènes par transfert horizontal e.g. HERVW1 (placentation): dérivé d'un rétrovirus Recrutement de gènes de parasites intragénomiques (domestication, exaptation) e.g. Gènes impliqués dans les réarrangement du locus des immunoglobulines Conséquences fonctionnelles des mutations Mutations => diversité génétique => diversité phénotypique Conséquences fonctionnelles des mutations Mutations délétères (nocives) E.g.: maladies génétiques Mutations avantageuses: Contribuent à l'adaptation des espèces Mutations neutres: sans effet significatif sur le phénotype NB: les régions fonctionnelles (régions codantes, régulatrices) constituent moins de 10% du génome humain Même dans les régions fonctionnelles, de nombreuses mutations sont sans conséquence Conséquences évolutives des mutations Mutations => diversité génétique : de nouveaux allèles (i.e. de nouveaux variants d'un même gène) apparaissent dans la population Comment cette diversité conduit-elle à l'évolution de l'espèce? Evolution : de l'individu à la population Erreur de réplication, délétion, insertion, ... = prémutation Réparation de l'ADN Substitution Individu Mutation germen soma Transmission à la descendance (polymorphisme) Population (N) Pas de transmission à la descendance Disparition du nouvel allèle Fixation Substitution = mutation fixée dans la population Evolution = changement de fréquences alléliques Générations 0 Individus 1 2 3 4 5 … G Quels sont les processus qui contribuent aux changements de fréquences alléliques? La sélection naturelle (1): sélection positive Sélection positive (directionnelle): adaptation Mutation avantageuse = qui augmente le succès reproducteur d'un individu (sa "fitness") La sélection positive Générations Individus 1 2 3 4 5 … G La sélection naturelle (1): sélection positive Le succès reproducteur d'un individu dépend de: Sa survie Sa capacité à trouver un partenaire sexuel Sa capacité à favoriser le développement de sa progéniture La sélection naturelle (1): sélection positive Pas uniquement la "lutte pour la survie", Exemple 1: Sélection sexuelle Compétition en vue d'être le plus attirant pour les membres du sexe opposé Evolution de caractères qui peuvent s'avérer néfastes pour la survie La sélection naturelle (1): sélection positive Pas uniquement la "lutte pour la survie", Exemple 2: Sélection de parentèle Un individu peut transmettre des copies de ses propres gènes non seulement en se reproduisant, mais aussi en favorisant la reproduction d'individus apparentés Evolution de l'altruisme (i.e. comportement favorable à d'autres individus, au détriment de ses propres chances de survie) – grâce au gène égoïste ... La sélection naturelle (1): sélection positive Exemples de sélection positive dans la lignée humaine: adaptation aux changements de mode alimentaire (agriculture, domestication: < 10,000 ans) La sélection naturelle (1): sélection positive Digestion de l'amidon: Amylase (AMY1) Famille multigénique; chez l'homme, variabilité du nombre de copies: entre 3 et 11 par génome (moyenne = 6); seulement 2 copies chez le chimpanzé Concentration en amylase salivaire corrélée au nombre de copies Nombre de copies significativement plus élevé dans les populations où l'alimentation traditionnelle est riche en amidon La sélection naturelle (1): sélection positive Digestion du lactose: Lactase (LCT) La capacité à digérer le lait diminue après le sevrage (réduction de la concentration en lactase dans l'intestin) Intolérance au lactose fréquente parmi les adultes (douleurs abdominales, diarrhées) Société traditionnelles pastorales: tolérance au lactose Mutation dans le promoteur du gène LCT: l'expression de LCT se poursuit chez l'adulte La distribution géographique de cet allèle 'persistance de la lactase' est corrélée au niveau historique de consommation de lait La sélection naturelle (2): sélection négative Sélection négative (purificatrice): conservation Mutation délétère = qui diminue le succès reproducteur d'un individu (sa "fitness") Les individus porteurs de cette mutation ont une probabilité plus faible d'avoir une descendance Ces mutations tendent à disparaître de la population La sélection négative Générations Individus 1 2 3 4 5 … G La sélection naturelle (3): sélection balancée Mutations avantageuses à l'état hétérozygotes La sélection naturelle favorise le maintien du polymorphisme Situation rare La sélection naturelle (3): sélection balancée Exemple: drépanocytose (anémie à cellule falciforme) Maladie relativement fréquente (notamment en Mutation dans le gène de la beta-globine: Afrique) - hétérozygotes - résistance partielle au paludisme - fréquence de l'allèle muté peut atteindre 20% - homozygotes - léthal AA AS SS Sains 2333 335 (0.14) 1 Malades 671 0 23 (0.03) La sélection naturelle n'est pas l'unique mécanisme de l'évolution!! Même en absence de pression de sélection, il y a évolution (des fréquences alléliques) Motoo Kimura: The Neutral Theory of Evolution La dérive génétique aléatoire Générations Individus 1 2 3 4 5 … G Evolution des patronymes Duret Arndt Galtier EyreWalker Arndt Galtier Arndt EyreWalker Galtier Galtier Galtier Galtier Pas de sélection: tous les individus ont la même probabilité de se reproduire Mais le nombre de descendants n'est pas illimité => à chaque génération, tirage aléatoire des allèles qui seront présents à la génération suivante A chaque génération, il existe une probabilité non-nulle qu'un allèle La dérive génétique aléatoire L'impact de la dérive génétique aléatoire dépend de la taille des populations: plus les populations sont petites, plus les effets stochastiques sont importants Importance des goulots d'étranglement (e.g. au moment d'une colonisation): effet fondateur Exemple: patronymes les plus fréquents France: Durand, Petit, Dupont Québec: Roy, Gauthier, Gagnon La dérive génétique interfère avec la sélection naturelle Du fait de la dérive génétique, même les mutations avantageuses ont une probabilité assez faible de se fixer Du fait de la dérive génétique, les mutations faiblement délétères ont une probabilité nonnulle de se fixer Analyse comparative de séquences génomiques: la pierre de Rosette des généticiens Projets de séquençage de génomes Objectif: faire l'inventaire de toute l'information génétique nécessaire au développement d'un organisme: génes, régions régulatrices Développement rapide des techniques de séquençage Séquençage d'un génome humain: 2004: 6 ans, 300,000 k€ 2008: 8 semaines, 250 k€ Des centaines de génomes séquencés, dont une vingtaine de mammifères Qu'y a-t-il dans un génome de mammifère? 3.1 109 bp Eléments transposables: ~50% 20,000 gènes protéiques Régions codantes des gènes protéiques : 1% Autres éléments fonctionnels: ?? Quelle fraction de notre génome est fonctionnelle? 100%? 50%? 10%? 1%? agtgctaaccactgagccatcatgcctacgacactatttattacagtttattagttcattatag tccatactacagtatgctggagcattcattaactaagagtagcaataatatgtacagtaaaaaa cactagtatggttcaaaaacactaatatttactatacattacaataatatacagttgaagtcag aattattagccccctttttattttttgtgccaatttctgtttaacggagagatttttttcaaca catttctaatcataatagttttaataactcatttataatagctgatttattttatctttgccat gatgacagtaaataatgttttactagatgtttttcaagacacttctatacagcttaaagtgaca tttaaaggcttaactaggttaattaggttaactaggcaggttaggataactaggcaagttattg tataatgatggtttgttctttagactatcaaaaaaataacttaaaggggctaaaaaatttttac cttaaaatgtttttttttttttaattaaaaaactgcttttattctagccaaaaataaaacaaat aagactatctccagaagaaacaatattatcagacatactgtgaaaatatctttggtcatttggg aaatattttacaacgaaaacaaaatcctaaggggggctaatatgtctgacttcaactgtatata tatattttttcatgtggatatgctaatgtgtaaaaatttcaatccccagtgaatgcaatggatg gataattcgaataaacagagtagttttcctttattttattattcatttaggtatttacttttat gtttttatattttgtttgtttctccagcatatagaagccaactgtattattgcagccaataatt aatatatcagtaaggcttttatgatttaacatcaaactgcattaacattacccaatagttaaaa gaataaaaaatttaaactcattaataattcttaacccttatgttgtttcaatcccctgagacat tccttcataatctaaaatcaaatgaatatgttttagatgaaatccaacagcagctttcagacac taatgatcacatacaaagctccatgaacatttactttttgtgcaaacgacaaaaaaatgtgtag cttcaaatggttacagttgaaccactaaagtgatctggaatattttgacaaagtttttggtctt ttttctggattttgaatgttgttgctgtctatggaggatgagagagctcttgggtttcttctaa aatatctttattggcgttgtgaagataaacgaaggtgatctcaggggtttggaatgatgatgag ctttcaattttcaatttcatggagaattttctttaatttcagtccatataaatcgtttgcaaac acttaccttaaaaaaagatagtaaatgcaatgaatcatttttctgtgcatttcaatgcaacaca actctctatagctgaaattattgtgggtgttaacaaagagcagaactgcaggtcagtgcatgaa Comment trouver les éléments fonctionnels ? Qu'est-ce qui nous distingue de notre cousin? 30 106 substitutions ponctuelles + délétions+ duplications Quels sont les éléments fonctionnels responsables des adaptations spécifiques de chaque lignée? Génomique comparative: la pierre de Rosette Principe de l'approche: Elément fonctionnel <=> contraint par la sélection naturelle Rechercher les traces de l'action de la sélection dans les séquences genomiques Sélection négative (conservation) Sélection positive (adaptation) Analyser les vitesses d'évolution des séquences pour détecter la sélection Vitesse d'évolution = taux de substitution Vitesse d'évolution des séquences: V u: Taux de mutation par génération p: Probabilité de fixation La probabilité de fixation d'une mutation dépend de: N: taille des populations (dérive génétique) s: impact de le mutation sur le succès reproducteur s < 0 : mutation désavantageuse s = 0 : mutation neutre s > 0 : mutation avantageuse Vitesse d'évolution de séquences neutres Probabilité de Fixation Duret Arndt Galtier EyreWalker Arndt Galtier Arndt EyreWalker Galtier Galtier Galtier Galtier Probabilité de fixation = 1/N = 1/4 Taux de mutation Doret Arndt Galtiex EyreWalker Arnds Galtiex Arndt EyreWalker Galtiex Galtier Galtiex Galtiex Nombre de Mutations dans la Pop = uN = 1/5 x 4 = 0.8 Vitesse d'évolution de séquences neutres Taille de la population = N = 4 Taux de mutation/génération/individu = u = 1/5 Nombre de mutations à chaque génération= uN = 4/5 Probabilité de fixation = 1/N = 1/4 Taux de substitution dans la population: uN x 1/N = u = 1/5 Démontrer l'action de la sélection = rejeter l'hypothèse d'évolution neutre En absence de sélection, V = u Sélection négative: V < u Sélection positive: V > u Eléments fonctionnels sous pression de sélection négative Evoluent plus lentement que le reste du génome => conservés au cours de l'évolution => empreintes phylogénétique Analyse comparative des gènes de b-actine de l'homme et de la carpe 5’UTR ATG codon stop signal de 3’UTR polyadénylation Carpe Homme promoteur introns: régions codantes: éléments régulateurs: enhancer signaux d’adressage intracytoplasmique échelle de similarité: pas de similarité significative 80 - 90% identité 70 - 80% identité Comparaison des génomes de l’homme et de la souris Alignement des génomes de l’homme et de la souris: 40% du génome humain est alignable avec le génome de la souris Homme caggtggagctgggcgggggccctggtgcaggcagcctg Souris caactggagctgggtgga---ccgggagcaggtgacctt ** ********** ** ** ** ***** *** Comparaison des taux de substitution dans les éléments transposables défectifs (marqueurs neutres) et dans le reste du génome Comparaison des génomes de l’homme et de la souris Distribution des taux de substitution Marqueurs neutres Séquences non-répétées Score de conservation Plus de 5% du génome des mammifères est sous pression de sélection négative NB: seulement 1% du génome est codant !! 4 fois plus des regions non-codantes fonctionnelles que de régions codantes !! Quantifier les éléments fonctionnels dans notre génome Problème: on ne détecte que les éléments fonctionnels déjà présents chez l'ancêtre commun aux rongeurs et aux primates – et non pas ceux qui ont évolué spécifiquement dans l'une ou l'autre lignée Comparaison entre primates proches (homme, chimpanzé, macaque, ...): environ 10% de notre génome est sous pression de sélection négative Ces régions non-codantes fonctionnelles sont probablement impliquées dans la régulation de l'expression des gènes Contribution relative de la dérive génétique et de la sélection positive à l'évolution des génomes Sélection négative = conservation (pas d'évolution) Evolution : Sélection positive Dérive génétique Comparaison homme/chimpanzé: 1,2% de divergence 34,000,000 substitutions nucleotidiques dans tout le génome 290,000 substitutions d'amino-acides dans les protéines Quelle fraction de ces substitutions résultent de la sélection? 100%? 50%? 10%? 1%? Contribution relative de la dérive génétique et de la sélection positive à l'évolution des génomes Comparaison homme/chimpanzé: Fraction des substitutions résultant de la sélection: indétectable (i.e. très très faible par rapport aux mutations fixées par dérive) Drosophiles: environ 50% des substitutions dans les gènes protéiques résultent de la sélection Faible taille de population chez les mammifères par rapport aux insectes => dérive plus importante, sélection moins efficace Importance de la dérive Dans les espèces à faible taille de population, la sélection est moins efficace: Pour fixer les mutations avantageuses Pour purger les mutations faiblement délétères => accumulations de mutations faiblement délétères => explique l'abondance des éléments transposables (parasites intragénomiques) dans certains groupes taxonomiques Conclusions (1) "En biologie, rien n'a de sens si ce n'est à la lumière de l'évolution" (T. Dobzhansky, 1973) Pour pouvoir déchiffrer (interpréter) les génomes, il est nécessaire de comprendre les processus évolutifs (mutation, sélection, dérive, …) qui affectent les séquences ou qui les ont affectées dans le passé (contingence) La connaissance des processus évolutifs à l'échelle moléculaire (i.e. au niveau même du support de l'information génétique) est cruciale pour comprendre l'évolution des organismes (y compris pour anticiper l'émergence de pathogènes résistants aux traitements) Conclusions (2) Les processus de l'évolution (à l'échelle moléculaire) ... Seulement un des versants de la question Evolution des écosystèmes: prendre en compte le processus de co-évolution (mutualisme, parasitisme, prédation) Processus de spéciation Sélection de second ordre: sélection sur la capacité à évoluer (e.g. évolution de la reprouction sexuée) …
