Evolution Moléculaire et Phylogénie

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Evolution Moléculaire et
Phylogénie
Dominique Mouchiroud
dominique.[email protected]
Biométrie et Biologie Evolutive, UMR5558, Lyon I
Bioinformatique et Génomique Evolutive
L’Evolution Moléculaire est la discipline qui
étudie l’Evolution à l’échelle de l’ADN, d’ARN
et des protéines (patron, processus).
Premiers travaux dans les années 1960-1970
Etude des mécanismes
Évolutifs
Phylogénie
Moléculaire
Reconstruction des parentés
Orientation des évènements
Inférence des caractères
At
A
nces
t
raux
Choix des marqueurs
Phylogénétiques
Modélisation des processus
évolutifs
Cours C. Brochier Cours D. Mouchiroud
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
III. Conclusion
I. L’évolution moléculaire
I1. Le cadre théorique
- Théories de l’évolution
- Forces évolutives qui façonnent les génomes
- Test de neutralité

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Les acteurs de la théorie de l’Evolution
La théorie de l’évolution par la sélection naturelle (1859)
La théorie synthétique de l’évolution (1930)
L thé i t li t d l’é l ti lé l i (1983)
L
a
thé
or
i
e neu
t
ra
li
s
t
e
d
e
l’é
vo
l
u
ti
on mo
lé
cu
l
a
i
re
(1983)
Théorie neutraliste de l’évolution moléculaire (1983)
Motoo Kimura (1924-1994)
Vast majority of base substitutions are neutral with respect to fitness.
Genetic drift
dominates evolution at the molecular level
A l’appui de sa théorie, l’hypothèse de l’horloge moléculaire
proposée en 62 par Zuckerkandl et Pauling.
Genetic
drift
dominates
evolution
at
the
molecular
level
.
Rate of molecular evolution is e
q
ual to the neutral mutation rate.
K u
« Le taux de divergence en acides aminés est
approximativement proportionnel au temps
de divergence paléontologique. »
Théorie neutraliste de l’évolution moléculaire (1983)
Motoo Kimura (1924-1994)
Vast majority of base substitutions are neutral with respect to fitness.
A l’appui de sa théorie, l’hypothèse de l’horloge moléculaire
proposée en 62 par Zuckerkandl et Pauling.
Genetic drift dominates evolution at the molecular level.
Rate of molecular evolution is e
q
ual to the neutral mutation rate.
K u
A l’échelle macroévolutive, les génomes sont le fruit de deux forces évolutives
Sélection / Dérive génétique (Hasard)
Générateur du polymorphisme génétique
« les mutations »
- substitutions
- insertions, délétions
- recombinaison
- duplication de gènes, translocation
- éléments transposables
- transgénèse (transfert horizontal de gènes)
- remaniements chromosomiques (fission, fusion, inversion)
- duplication génomique (aneuploïdie, euploïdie)

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Réparation de l’ADN
Clll
Individu
Processus de fixation des mutations
MUTATION
nouvel allèle
C
e
ll
u
l
e
somatique
Transmission à la descendance
Individu
Cellule germinale
Pas de transmission à la
descendance
Perte d’allèle
Population (N)
Polymorphisme
Fixation
Plusieurs générations
Substitutions
Changement des fréquences
alléliques
Fréquences des
changements fixés (substitutions)
Taux de divergence
Probabilité de fixationTaux de mutation X
Probabilité de fixation
dépend
Probabilité
de
fixation
dépend
- de la taille efficace de la population (Ne)
- de la valeur sélective de la mutation (s)
La probabilité de fixation d’une mutation est différente si le processus
de fixation est sous le modèle neutre ou sélectif
CAG GTGCAACAG
CAG GTGCAACAG
CAG GTG CAACAA
CGG GTGGAACAG
CAG GAGCATCAG
CAG GAGTATCAG
CAG GAGCATCAG
CGGGAGCATCAG
polymorphiquesChangements
2 non synonymes
1 synonyme
2 non synonymes
0 synonyme CAA
CAG
CAC
Gln
Taux de mutation ou polymorphisme ou diversité génétique
(intra spécifique) :
Nbre de changements/site/génération (SNP)
Mesuré entre individu d’une même population
Reflète le processus (fréquence) et patron (type) de mutation de l
’
ADN au sein d
’
une population
Changements fixés 2 non synonymes
CAC
CAT His
Reflète
le
processus
(fréquence)
et
patron
(type)
de
mutation
de
l ADN
au
sein
dune
population
Taux de divergence (inter spécifique) :
Nbre de substitutions (changements fixés)/site/temps de divergence
Mesuré entre individu d’espèces ou de populations différentes
Reflète le processus de fixation des mutations (sélection ou dérive génétique).
Les mutations délétères ne sont pas fixées dans la population
en raison de leur impact sur le fonctionnement du génome.
Elles sont éliminées par la sélection naturelle : sélection
négative ou purificatrice
Processus de fixation des mutations
négative
ou
purificatrice
.
Divergence < Diversité génétique
Les mutations non (ou faiblement) délétères peuvent être
transmises à la descendance. Ces mutations, dites « neutres »,
sont fixées aléatoirement dans la population : dérive
g
énéti
q
ue.
gq
Divergence = Diversité génétique
Les très rares mutations avantageuses sont positivement
sélectionnées : sélection adaptative.
Divergence > Diversité génétique

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Si population de petite taille ou s = 0
alors s
<1/2N
Résultats majeurs des
modèles en évolution moléculaire
alors
s
<
1/2N
e
la sélection ne peut opérer et la dérive génétique agit
Taux de divergence ~Taux de mutations
Fixation de mutation faiblement délétères
Pas fixation de mutations avantageuses
Si
p
o
p
ulation de
g
rande taille
la sélection positive/négative peut opérer
Taux de divergence ≠ taux de mutations
Fixation des mutations avantageuses
Elimination des mutations délétères
pp g
alors s > 1/2Ne
Processus de fixation des mutations
Mutation => création d’un nouvel allèle => polymorphisme/diversité dans la
population
Changement des fréquences alléliques au cours des générations => fixation de la
i b i i di è
mutat
i
on => su
b
st
i
tut
i
on =>
di
vergence entre esp
è
ces
Genera
t
Population
Dérive génétique
Sélection naturelle
Recombinaison
Substit
u
t
ions
…
Fixation de l’allèle rouge
u
tion
Variation des fréquences alléliques par dérive
génétique (1)
Par dérive génétique, il y a perte ou
fixation de l’allèle dans les populations de
très petites tailles efficaces (Ne)
Temps de fixation des allèles dans la
généalogie représente le temps de
coalescence.
La probabilité de fixation d’un allèle neutre
est égale à
sa fréquence initiale
T22 Ne
(en moyenne)
Tous les processus évolutifs qui conduisent à réduire la taille efficace
comme l’absence de recombinaison conduisent à des phénomènes de dérive.
est
égale
à
sa
fréquence
initiale
.
Le temps moyen de fixation d’un allèle neutre
est de 4 Ne.
T4
T3
T5
≈ 4 Ne
(en moyenne)
(en
moyenne)
La sélection (2)
Ségrégation différentielle des alléles
• Il y a sélection lorsque les différents génotypes pour un locus
donné ne participent pas de façon équivalente à la constitution
éti dl ééti i t
g
é
no
t
yp
i
que
d
e
l
a g
é
n
é
ra
ti
on su
i
van
t
e.
• Un génotype donne plus de descendants fertiles et donc présente
un avantage sélectif . Meilleure Fitness pour ce génotype.
• La valeur sélective d’un génotype dépend :
-L’aptitude des individus à atteindre l’âge de reproduction (viabilité)
– La durée de la période reproductive
L
’
aptitude à la reproduction
–
L aptitude
à
la
reproduction
– La qualité des gamètes produits
• Exemple de sélection au niveau nucléotidique : le gBGC
– Sélection directionnelle : biais de fixation de C/G versus A/T

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Les mutations délétères ne sont pas fixées dans la population
en raison de leur impact sur le fonctionnement du génome.
Elles sont éliminées
p
ar la sélection naturelle : sélection
Valeurs sélectives des mutations
p
négative ou purificatrice.
Les mutations non (ou faiblement) délétères peuvent être
transmises à la descendance. Ces mutations, dites « neutres »,
sont fixées aléatoirement dans la population : dérive
génétique.
Les très rares mutations avantageuses sont positivement
sélectionnées : sélection adaptative.
Durée de fixation d’une mutation
s > 0
t = (2/s) ln (2N)
s ≈ 0
t4Ne
1/= temps moyen entre deux
évènements de fixation =coalescence
t = durée de fixation moyenne
en
g
énérations
t
=
4Ne
Darwin C.
Ki T
Wright et al.
s < 0
s > 0
s ~ 0
s = 0
s < 0
s = coef. de sélection
Ki
mura
T
.
Otha T.
Bernardi G.
PNAS 2007
La recombinaison (3)
• La recombinaison assure le brassage génétique en conduisant
à l’échange de matériel génétique entre chromosome
homologue ou hétérologue.
•
La recombinaison entre le chromosome maternel et paternel
•
La
recombinaison
entre
le
chromosome
maternel
et
paternel
lors de la meïose s’accompagne s’il y a cassure d’une
réparation par conversion génique avec ou sans crossing-over.
• Un dogme en génétique des populations veut que la
recombinaison améliore l’efficacité de la sélection en
favorisant le tri des meilleurs allèles.
• Lorsque la recombinaison est absente, la sélection ne peut
agir.
Effets Hill-Robertson