Évolution des génomes et grands réseaux biologiques

Séminaire du FIP
mardi 14 février
Évolution des génomes et grands
réseaux biologiques
par Hervé Isambert (Institut Curie, RNA dynamics and biomolecular systems lab)
Sandrine Morlot et Hai Son Nguyen

Introduction
Les organismes vivants présentent une diversité exceptionnelle comme en témoigne « l'arbre de la vie »,
cependant les gènes sont en nombre limité et sont assez semblables chez tous les organismes. Le but de cet
exposé sera de répondre à cet apparent paradoxe.
Tree of life (from http://tolweb.org/tree/)

I Quelques résultats sur l'évolution des génomes
1. ce qui était connu avant la technique du séquencage
Les génomes ont des tailles très différentes selon les espèces. Ils peuvent aller de 106 à 1011 nombres de
nucléotides, soit cinq décades (huit si on prend en compte les virus).
De plus au sein d'une même famille, la répartition des tailles des génomes peut être particulière. Par
exemple pour la famille des herbes les génomes sont répartis en pics croissants en puissance de deux en
fonction du nombre de nucléotides.
2. la technique du séquencage (whole genom shotgun)
Le principe est de découper en petits morceaux le génome de diverses manières. On séquence ensuite
quelques fragments choisis aléatoirement puis on reconstitue le génome par recouvrement.
Schéma de la technique de séquencage par shotgun

3. ce que le séquencage nous a appris
Etonnament, les organismes ont assez peu
de gènes:
• 6000 gènes pour la levure du
boulanger
• 19000 gènes pour le ver
• 13000 gènes pour la mouche
• 20000 à 23000 gènes pour le coq
• 20000 à 25000 gènes pour l'homme
Il y a cependant quelques exceptions:
• le blé possède 75000 gènes mais en
réalité le blé est une assemblage
artificiel créée par l'homme de trois
génomes différents
• la paramécie (organisme unicellulaire)
comporte 39000 gènes.
De surcroît tous les gènes sont à peu près les mêmes. Ils se ressemblent beaucoup d'un espèce à l'autre.
II Les réseaux IPP ( interactions protéine/protéine)
Comment comprendre les différences entre espèces si elles ont peu de gènes tous semblables?
1. Qu'est-ce qu'un réseau IPP?
En réalité les gènes s'expriment de manière conbinatoire. L'interaction de plusieurs gènes est nécessaire
pour l'expression d'une fonction donnée.
On trace alors des réseaux biologiques indiquant toutes les interactions de paires de protéines.
On représente une protéine par un noeud du réseau et une interaction par un lien entre deux noeuds du
réseau.
Ex:

réseau interaction protéine/protéine
On note N le nombre de noeuds du réseau, L le nombre de liens; Nk le nombre de noeuds avec k voisins,
pk=Nk/N le degré de distribution. On peut calculer <k> le nombre moyen de liens par noeud. On peut
également trouver des propriétés du génomes en traçant par exemple pk en fonction de k.
2. Duplication totale du génome
Plusieurs phénomènes biologiques interviennent dans l'évolution des gènes: l'inversion, la duplication d'un
gène, la transposition, le transfert horizontal de gènes et la duplication totale du génome. Nous allons nous
intéresser plus particulièrement à ce dernier processus car il s'est produit massivement chez les organismes
eucaryotes.
Le processus de duplication totale a été prouvé en 2004 par l'équipe de Kellis sur le génome de la levure
de boulanger en le comparant avec un autre génome contemporain ayant un ancêtre commun.
Le processus consiste en la duplication totale du génome ancêtre. Puis certains gènes sont effacés peu à
peu de manière à ce que finalement il n'y ait pas beaucoup de gènes doubles.
La comparaison avec le génome d'une espèce ayant le même ancêtre et n'ayant pas subi la duplication
totale donne le même effet que comparer un jeu de carte mélangé une seule fois avec le jeu initial.