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
Etude des processus évolutifs en relation
avec les composantes écologiques
III. Conclusion
Evolution morphologique
Fossiles vivants ou organismes panchroniques
Génome nucléaire et cytoplasmique
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
Ornithorynque
Coelacanthe
Traits d’Histoire de Vie
Gingko biloba
Nautile
1
Le taux d’évolution des génomes
Taux de mutation ou polymorphisme ou diversité génétique
((intra spécifique)
p
q ):
Nbre de changements/site/génération
Mesuré entre individu d’une même population
Taux de divergence (inter spécifique) :
Nbre de substitution/site/temps de divergence
Mesuré entre individu d’espèces différentes
Hypothèse neutre (absence de processus sélectif ou non sélectif) :
- taux de divergence = taux de mutation
Vrai si Ne faible(dérive génétique) et coefficient de sélection des
variants proche de zéro
Variabilité des taux d’évolution
La notion d’horloge moléculaire
• « Le taux de divergence en acides aminés est
approximativement proportionnel au temps de
divergence
g
paléontologique.
p
gq »
Zuckerkandl and Pauling 62-65
Super protéine ( hémoglobine,
cytochrome c, et fibrinopeptide
A) comparée entre différents
groupes de mammifères. La
ligne en pointillé représente une
estimation de l’horloge
moléculaire. (modifié à partir de
Langley and Fitch 1974)
Importance de la détection de
l’évolution neutre
– Datation des évènements de spéciation ou de duplication,
– Identification des évènements démographiques (goulots
d’étranglement),
– Recherche de régions sous pression de sélection (éléments
fonctionnels),
– …..
Différence de longueurs de branches est un indicateur de variation de taux d’évolution
2
Marqueurs moléculaires neutres
• Pseudogènes : gènes non fonctionnels
• Régions non codantes : intergénique, intron
• Eléments répétées
• Sites synonymes des codons : ne modifient
pas la nature de l’AA codé
• Région de contrôle de ll’ADN
ADN mitochondrial
Détection sélection avec gène codant
Divergence non synonyme versus Divergence synonyme
ω=
DN
DS
ω > 1 d’où DN > DS : sélection adaptative
ω = 1 d’où DN = DS : évolution neutre
ω < 1 d’où DN < DS : sélection purificatrice
Vrai si la sélection peut jouer (Ne élevée et/ou S élevé )
Si Ne est faible (ex mammifère), la fixation par dérive génétique de mutations
non synonymes faiblement délétaires ou avantageuses est fréquente.
Ceci induit une augmentation du rapport Dn/DS (similaire à la sélection positive).
Les mutations : types
II.2. Taux d’évolution
II. 2.1. Nature et quantification des mutations
II.2.3. Variabilité du taux d’évolution
- substitutions (transitions A↔G, T↔C, transversions )
- insertions,
insertions délétions
- duplication de gènes, translocation
- duplication génomique (aneuploïdie, euploïdie)
- transferts horizontaux (gènes, éléments transposables)
- remaniements chromosomiques (fission, fusion, inversion)
Mutagénèse à grande échelle
3.5 milliards d’année d’évolution
3
Les CpG et la méthylation
Dynamique des mutations
Les génomes de Vertébrés présentent un niveau de méthylation élevé et
spécifique des dinucléotides CG (CpG).
• Mutations spontanées (facteurs endogènes)
– Susceptibilité de certains nucléotides (C en T pour les CpG,
déamination des cytosines
y
méthylées),
y
),
La méthylation est un ajout enzymatique d'un groupement méthyl (CH3) sur une
cytosine.
NH 2
NH 2
C
N
C
O
C
CH methylation
N
C
CH
O
N
sugar
CH 3
C deami
CH
N
70-90 % des CpG sont méthylés
sugar
cytosine
5methyl cytosine
ADN- méthyltransférase
Les CpG et la méthylation
Evolution de la méthylation
Instabilité évolutive des CpG : taux de mutation 10 X plus important sur les CpG.
La déamination de la cytosine est 140 fois plus élevée lorsque l ’ADN
est simple brin (Frederico, 90)
NH 2
NH 2
C
C
N
CH methylation
C
O
N
sugar
cytosine
O
G. gallus
M. musculus
H. sapiens
O
CH 3
CH
O
N
CH 3
C
C deamination
C
CH
N
Methylation
sugar
5methyl cytosine
NH
C
C
CH
methyl
5’-A-T- C-G-G-C-3’
3’-T-A- G-C-C-G-5’
N
sugar
thymine
methyl
5’-A-T- T-G -G-C-3’
3’-T-A-A-C-C-G-5’
5’-A-T- C-A -G-C-3’
3’-T-A-G-T-C-G-5’
CpGo/e
0.25
D. rerio
0.50
A. thaliana
0.75
D. melanogaster C. elegans
0.95
1.00
spontanée
30 % des maladies dues à des mutations ponctuelles
(Cooper et al., 1993)
Il existe une corrélation forte entre le degré de méthylation
d’un génome et le taux d’érosion des CpG
disparition des CpG durant l’évolution des vertébrés
4
Les îlots CpG: des structures atypiques
Dynamique des mutations
(Bird, 1986)
- régions génomiques de 200 à 5000 pb non-méthylés dans la plupart des tissus
1,0
70
60
0,5
50
rapport CpGo/e
pourcentage G+C
- régions génomiques avec une fréquence en bases G+C élevée > 60%)
80
40
5’
5’
• Mutations spontanées (facteurs endogènes)
– Susceptibilité de certains nucléotides (C en T pour les CpG, déamination des
cytosines méthylées),
– Erreurs de la machinerie cellulaire : copie de ll’ADN
ADN (SNP)
(SNP), slippage ou
recombinaison inégale avec les séquences répétées (CNV), remaniement
chromosomique.
- régions génomiques avec une fréquence en CpG proche de la fréquence
attendue selon la composition en bases G+C (CpGo/e ≈ 1)
start
3’
3’
no-start
• Mutations induites (facteurs endogènes et exogènes)
– Action d'agents mutagènes (radiations, mutagènes chimiques, produits liés au
métabolisme cellulaire (ROS), pression environnementale,...)
– Activité de parasites intragénomiques
• Rétrovirus: virus intégrant son propre génome dans le génome de son hôte
• Eléments transposables (44% chez l’homme) : éléments capables de se dupliquer et de
se déplacer dans les génomes
• Efficacité de la machinerie de réparation de l’ADN
Taux de mutation chez l’homme
•
•
•
•
Chaque individu 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 ou
codantes),
Les évènements de duplication/délétion font que les génomes de 2 individus
présentent en moyenne 24 à 70 Mb de différence (1% à 2%) ainsi le répertoire
génique de 2 individus: ± 200 à 600 gènes pour 20 à 23 000 gènes codants !
Le taux de mutation dans les cellules somatiques est 17X celui des cellules
germinales chez l’homme (Lynch M, 2010, Trends in Genetics)
– Somatique : 10-9 par site et par mitose
06 10-9 par site et par méiose
– Germinale : 00,06
• Les taux de mutation observés résultent d’un
compromis entre le coût des mutations (fardeau
mutationnel) et le coût de la réparation des mutations.
• Les taux de mutation varient au cours du temps au
sein d’un individu, entre types cellulaires, entre
lignées.
• Les taux de divergence observés résultent d’un
compromis entre la taille des populations (mode de
reproduction) et la valeur sélective des mutations.
dbSNP : http://www.ncbi.nlm.nih.gov/SNP 11 millions SNPs (2008)
HapMap (http://www.hapmap.org) 3,5 millions SNPs humain
Projet 1000 génome
5
Variabilité des taux d’évolution
• variabilité intra génique :
II.2. Taux d’évolution
- les positions synonymes évoluent plus vite que les positions non synonymes,
- les différents compartiments du gène (intron, exon, région de régulation)
évoluent à des taux différents.
II. 2.1. Nature et quantification des mutations
II.2.3. Variabilité des taux d’évolution (Bromham, 2011)
2
pseudoggènes
Région 3'flaanquante
(2x)
Sites synonymes (4x)
Intron
3'UTR
2.5
Sites synonymes
3
Sites non-synonym
mes
3.5
Région 5'UTR
Nombre de
substitution par
site et par 10 9
années
Région 5'flanquaante
Taux de divergence dans les différents
compartiments d’un gène
Mutations neutres
• Tous les changements synonymes,
• Les changements au niveau des introns, au niveau des
régions non codantes (exceptés les régions de
régulation), les pseudogènes,
• Les changements non synonymes qui n’affectent pas
le fonctionnement de la protéine,
protéine
1.5
1
• Estimation 3 à 5 10-9 sub/site/année
0.5
0
Graur et Li 99
6
Variabilité des taux d’évolution au sein
d’un gène
Variabilité des taux d’évolution
• variabilité intra génique :
- les positions synonymes évoluent plus vite que les positions non synonymes,
- les différents compartiments du gène (intron, exon, région de régulation)
évoluent à des taux différents.
• variabilité inter génique :
- Différence de taux d’évolution selon la nature des gènes (niveau
d’expression, nature des chromosomes (X, A, Y),
Proinsuline
Taux d’évolution et expression
Gènes orthologues entre
Homme et souris
Le niveau d’expression ne joue aucun
rôle dans le cadre de l’évolution neutre.
Variabilité des taux d’évolution au sein des
gènes tissus spécifiques
Taux d ’évolution aux sites silencieux
(sans doublet)
50%
Taux d ’évolution en AA
40%
8%
6%
35%
4%
0
13
46
7- 10- 13- 169 12 15 24
Nbre de tissus
2%
0%
45%
0
1 4
7 10 13 16 19 22 24
doublet mutations: positions 1-2, 2-3 or 3-1 des codons
Nbre de tissus
La pression de sélection négative
est d’autant plus forte que le gène
est fortement exprimé.
Duret et al, 2000
Duret et al, 2000
GBE, 2013
7
Male driven evolution
Comparaison des taux d’évolution entre gènes
paralogues liés au X et au Y
Le nombre de division des gamètes mâles à chaque génération
est bien plus élevé que le nombre de division des gamètes femelles.
Peu de
divisions
cellulaires
n=31 (human)
n=25 (souris)
fécondation
Embryon
Nombreuses
divisions cellulaires
n = 401 (human – 20ans)
n = 62 (souris – 5 mois)
A taux de mutation constant au cours de la réplication, il y aura
plus de changements pour les gènes présents dans les gamètes mâles
que ceux présents dans les gamètes femelles.
Male Drive Evolution
– Plus de divisions cellulaires chez l’homme =>
plus d'erreurs de réplication
p
p
de l'ADN
– Taux de mutations ponctuelles dans l’espèce
humaine: 6 fois plus élevé chez l'homme que chez
la femme
– Parmi les ≈150 mutations nouvelles dont chaque
porteur,, environ 20 pproviennent de sa
individu est p
mère, 130 de son père
– Vrai également chez la souris mais avec un
différentiel moins important
Chez les oiseaux ?:
WW
WZ
W.H. Li
8
Chez les oiseaux : oui, mais l'inverse ...
Male mutation bias
•
•
•
•
WW
Mammifères (Li et al. 2002)
Oiseaux (Ellegren and Fridolfsson 1997)
Poisson (Ellegren and Fridolfsson 2003)
Plantes (Filatov and Charlesworth 2002)
WZ
Différences entre chromosomes
chez les mammifères
– Le chromosome Y évolue plus rapidement (pas de recombinaison)
– Le chromosome X évolue pplus lentement.
Si um taux de mutation chez les mâles
uf taux de mutation chez les femelles
Taux de mutation pour les gènes autosomaux :
A = (um + uf ) / 2
Taux de mutation pour les gènes portés par X :
X = (u
( m + 2 uf ) / 3
Taux de mutation pour gènes portés par Y :
Y = um
Estimation du rapport des taux de mutations
: = um / uf
En théorie (Miyata et al 87):
Y/A = 2  / (1 + )
X/A = 2(2+ )/3(1 + )
Y/X = 3  / (2 + )
En pratique :
Couples de gènes orthologues X et Y : gametologues (primates ou muridés)
Calcul des rapports Ks (gènes sur Y)/Ks (gènes sur X)
Estimation de  qqui varie de
2 (muridé, Makova et al. 04)
4-6 (hominidé, Shimmin et al. 93, Makova and Li 02)
Y > autosomes > X
1
1/2
1/3
9
Variabilité des taux d’évolution
Quelques valeurs de α
• variabilité intra génique :
- les positions synonymes évoluent plus vite que les positions non synonymes,
Li et al 2002
- les différents compartiments du gène (intron, exon, région de régulation)
évoluent à des taux différents.
• variabilité inter génique :
- Différence de taux d’évolution selon la nature des gènes (niveau
d’expression, nature des chromosomes (X, A, Y),
• variabilité intra chromosomique :
- Différence de taux d’évolution le long des chromosomes (régions
contraintes)
•
Variabilité des estimations liée à l’hétérogénéité des
taux de mutations le long de l’ADN et des durées de génération
« Tachichore » ou régionalisation des taux de
substitution
Régionalisation des taux de mutation
•
•
•
•
•
•
Fidélité de la polymérase,
Effi i é de
Efficacité
d la
l réparation,
é
i
Impact de la méthylation (CpG),
Impact de la structure de la chromatine,
Impact de la recombinaison (mutagène ?),
p des biais de composition
p
en base (différence
(
Impact
GC/AT ?),
• ….
Taux de substitution silencieux le long
du chromosome 22 humain
Résidus des taux de substitution silencieux le long
du chromosome 22 humain en tenant compte du GC
10
Variabilité des taux d’évolution
• variabilité intra génique :
- les positions synonymes évoluent plus vite que les positions non synonymes,
Variabilité des taux d’évolution
entre génomes au sein d’un même hôte
- les différents compartiments du gène (intron, exon, région de régulation)
évoluent à des taux différents.
Ks
• variabilité inter génique :
- Différence de taux d’évolution selon la nature des gènes (niveau
d’expression, nature des chromosomes (X, A, Y),
Nucléaire
• variabilité intra chromosomique :
- Différence de taux d’évolution le long des chromosomes (régions
Ls
Ka
La
0,71 ± 0,04
1475
0,06 ± 0,00
5098
Chloroplastique 0,17 ± 0,01
2068
0,01 ± 0,00
7001
Mitochondrial
413
0,01 ± 0,00
1526
0,03 ± 0,01
contraintes)
• variabilité inter génomique :
- Différence entre génomes au sein d’un même hôte (nucléaire,
mitochondrial, chloroplastique, parasite)
- Différences entre organismes (traits d’histoire de vie, mécanisme
moléculiare)
Variabilité des taux d’évolution
entre génomes au sein d’un même hôte
– Virus du SIDA (g
(génome ~10 000 pb):
p )
• 25 mutations / génome / an
• Evolue environ 1 million de fois plus rapidement que les
mammifères
• Evolution mesurable au cours de l'infection d'un individu
• Résistance au système immunitaire, aux traitements
antiviraux
ti i
Comparaison entre maïs et blé/orge (graminé)
Nucléaire > chloroplastique > mitochondrial
Variabilité des taux d’évolution
entre génomes au sein d’un même hôte
• Génome d’organismes endosymbiotiques
– Taux d’évolution plus rapide que celui des génomes
apparentés
• Buchnera 1,7 X plus rapide en KA qu’Escherichia
coli (absence de pression sélective, pas de
recombinaison car transmission clonale)
• Génome mitochondrial
– Taux d’évolution 5 X plus rapide que le génome
nucléaire
lé i chez
h les
l animaux
i
– Transmission maternelle , pas de recombinaison, pas de
protection par les histones, pas de mécanisme de
réparation, taille efficace plus faible que le génome
nucléaire (X4)
Worobey et al Nature 455, 661 (2008)
11
Variabilité des taux d ’évolution
mitochondrial
Martin et Palumbi 93
Taux
x d’évolution %/MA
1
10
Souris
Oie
Chien
• Génome mitochondrial
– Taux de mutation variables au sein des mammifères
• Lié aux variations de l’activité métabolique
(respiration)
Homme
Grenouille
10
Effet de la
production de ROS
mutagène
Cheval
Variabilité des taux d’évolution
entre génomes mitochondriaux
Baleine
Ours
Tortue
Triton
Saumon
10 -1
Requin
Tortue de mer
10 -2
10 -1
10 0
10 1
102
10 3
10 4
Masse corporelle (Kg)
Variabilité des taux d’évolution
entre génomes mitochondriaux
Taux d’évolution mitochondriale
chez les Mammifères
Cytochrome b
Intra ordre
(13)
Nabholz et al genetics, 2008
• Génome mitochondrial
– Taux de mutation variables au sein des mammifères
• Lié aux variations de l’activité métabolique
(respiration)
• Lié à des pressions sélectives pour réduire le taux de
mutation mitochondrial des espèces longévives
(Mitochondrial theory of ageing)
TM/THV
12
Variabilité des taux d’évolution
entre génomes
Causes de ces variations entre lignées
• Génome d’organismes endosymbiotiques
– Taux d’évolution plus rapide que celui des génomes apparentés
• Buchnera 1,7 X plus rapide en KA qu’Escherichia coli (absence de
pression
i sélective,
él i pas de
d recombinaison
bi i
car transmission
i i clonale)
l l )
• Génome mitochondrial
– Taux d’évolution 5 à 10 X plus rapide que le génome nucléaire chez
les animaux
– Transmission maternelle , pas de recombinaison, pas de protection
par les histones, pas de mécanisme de réparation, taille efficace plus
faible que le génome nucléaire (X4)
– Taux
T
de
d mutation
t ti variables
i bl au sein
i des
d mammifères
ifè
• Génome nucléaire
– Taux d’évolution variable selon les espèces.
• Evolution rapide des rongeurs (muridés), évolution plus lente au sein
des primates (hominidés), autres exemples d’accélération au sein des
reptiles et oiseaux
Conclusion (1) : variabilité de l’horloge
entre lignées
• Facteurs potentiellement différents à l’origine de la variabilité
des taux d’évolution des génomes nucléaires et mitochondriaux
– Génomes mitochondriaux : mutations dues à l’oxydation des
radicaux libres/ longévité
• Liées à la structure particulière de ces génomes
• En relation avec l’activité métabolique des organismes et
leur masse corporelle (facteurs liés)
• En relation avec la longévité
– Génomes nucléaires : mutations dues aux erreurs lors de la
réplication (substitutions)
• Liées au taux d’erreur, mécanisme de réparation,
conformation de l’ADN
• En relation avec les traits d’histoire de vie
• Facteurs dépendants de
la réplication
– Durée de génération,
nombre de divisions des
cellules germinales par
unité de temps
– Efficacité de la réparation
• Facteurs indépendants
de la réplication
– Taux métabolique basal
– Masse corporelle
– Efficacité de la réparation
Rapport entre Homme / Souris :
Taux d’évolution Ks : 2 à 5 pour la souris
Durée de génération : 50 entre homme et souris
Nbre de gamètes produites
par unité de temps: 7 à 10 pour la souris
Nearly neutral theory
Ohta (92)
Les attendus :
(1) Si Ne faible, fixation de mutations faiblement délétères alors que ces
mutations sont éliminées dans les populations de grande taille.
(2) Conséquence dN/dS augmente lorsque Ne diminue.
(3) La masse corporelle est un proxy de la taille efficace (White, 2007).
Les observations :
- Les populations domestiques de Yak présentent des valeurs dN/dS
mitochondriales supérieures à ceux de leurs parents sauvages (Wang 2011).
- Corrélation positive entre la masse corporelle (l
(l’âge
âge à la maturité sexuelle)
et le rapport dN/dS aussi bien pour les gènes nucléaires et mitochondriaux des
mammifères placentaires ( Lartillot, 2012, Romiguier, 2013).
- Les populations d’oiseaux insulaires présentent des valeurs de dN/dS
supérieures aux populations d’oiseaux continentaux ( Woolfit, 2005).
- Aucune différence de dN/dS entre Gallus Gallus (oiseaux de grande taille)
et Zebra finch (oiseau de petite taille – passeriforme) (Nam 2010).
13
Relation taux d’évolution/traits d’histoire
de vie chez les amniotes
« The
Th correlation
l i between
b
LHT andd dN/dS suggests that
h large-scale
l
l
phylogenetic reconstruction of dN/dS might reveal long-term trends in
effective population size, which in turn could be interpreted in terms
of macroevolutionary patterns in life-history evolution across large
phylogenetic groups. » (Nagholz, 2013 GBE)
Relation THV et Taux d’évolution
• Masse corporelle : relation inverse des taux d’évolution nucléaire et
mitochondriale (Martin 93,
93 Welch,
Welch 2008,
2008 Jackson 2009)
2009),
– Système de réparation plus efficace (nbre de cellule, faible fécondité)
– Activité métabolique
• Durée de génération (âge à la première reproduction) : relation négative
nucléaire et mitochondriale (Tsante 2009, Thomas 2010, Nabholz, 2008),
– nbre de division cellulaire par unité de temps ?
•
Activité métabolique : relation négative avec le taux d’évolution de
l’ADN mitochondrial
it h d i l (vertébrés)
( téb é )
– Dommage lié au produit du métabolisme
• Longévité : relation inverse des taux d’évolution
– Système de réparation plus efficace – activité des télomérases plus faible
Conclusion (2) : différentes horloges
moléculaires à différentes échelles
• Des variations de taux d’évolution s’observent à toutes les échelles :
– Codon,, gène,
g , région
g
génomique,
g
q , génome,
g
, organisme
g
• Les processus mis en cause sont à la fois:
– neutraliste : biais mutationnel, nombre de division cellulaires, réparation plus ou
moins efficace, effet de voisinage
– sélectionniste : expression des gènes, conformation de la chromatine
• La prise en compte de ces variations de l’horloge moléculaire est
essentielle
ti ll pour effectuer
ff t
des
d datations
d t ti
fiables.
fi bl
• Les variations de l’horloge par rapport à un standard connu permettent
d’inférer les processus évolutifs qui ont été mis en œuvre au cours de
l’évolution.
14