génétique des populations

UE GENEPOP
Génétique des populations
Ce cours apporte les bases indispensables à la compréhension
de la variation génétique et à son utilisation en biologie des populations
Michel Veuille
[email protected]
Directeur d’études de l’EPHE
Le cours se déroule du lundi au vendredi
de 9:00 à 12:00 et de 14:00 à 17:00.
Paris Bâtiment LE France, salle 116
16 novembre – 20 novembre 2015
Il est demandé de venir avec un portable.
Résumé du cours
Ce diaporama résume chacune des dix séances du cours (10 demi-journées)
Informations en direct sur le cours :
http://isyeb.mnhn.fr/annuaire-et-pages-personnelles/documentation/veuille/Genetique-des-populations-243
Résumé du cours
EPHE – UE Génétique des populations – GENEPOP
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PROGRAMME DU COURS
Lundi 16 novembre
matin
Pourquoi cette expression: génétique des populations ?
Populations : Comparaisons entre échantillons.
Lundi 16 novembre
après-midi
Polymorphisme : la mesure de la variation (allèles et séquence d’ADN)..
Exemples et applications
Mardi 17 novembre
matin
Consanguinité et dérive aléatoire
Petites populations, lignées d’élevage, dérive aléatoire.
Mardi 17 novembre
après-midi
Différenciation entre populations. Estimation (FST), quelques modèles de
structuration spatiale. Quelques logiciels couramment utilisés; exemples
Mercredi 18 novembre
matin
Equilibre neutre mutation-dérive – théorie de la coalescence
Différents modèles de sélection; équilibre mutation-sélection
Mercredi 18 novembre
après-midi
Sélection naturelle
Différents modèles de sélection; équilibre mutation-sélection
Jeudi 19 novembre
matin
Travaux dirigés
Sur ordinateur: sélection et dérive aléatoire
Jeudi 19 novembre
après-midi
Exemples d’hypothèses en génétique évolutive
Les principales hypothèses sur les mécanismes de l’évolution
Vendredi 20 novembre
matin
Systèmes génétiques
Evolution du sex-ratio - évolution de la coopération
Vendredi 20 novembre
après-midi
Spéciation – Bilan du cours - Contrôle sur table
Résumé du cours
EPHE - Cours de génétique des populations
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1 (LUNDI MATIN): POURQUOI « GÉNÉTIQUE DES POPULATIONS » ?
En 1838, Darwin conçoit
Théorie de la sélection naturelle
la théorie de la sélection
naturelle, qu’il publie en
Excès de potentiel reproductif
1858 : l’excès de
potentiel reproductif au
et variations transmissibles entre générations
sein des espèces entraîne
une lutte pour l’existence.
et différences d’adaptation entre individus
Les individus portant les
variations les mieux
sélection des formes les mieux adaptées
adaptées survivent. Ceci
modifie progressivement
les espèces.
Mais Darwin croyait, comme ses contemporains, à l’hérédité de mélange, selon laquelle un descendant serait
intermédiaire entre ses parents, pour des traits obtenus par hérédité des caractères acquis. Cette conception erronée
menait à accorder un rôle important à l’hérédité des caractères acquis. Cela jeta un discrédit sur la théorie de la
sélection naturelle qui dura 70 ans.
Résumé du cours
EPHE - Cours de génétique des populations
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X
- Succession des générations 
- Succession des générations 
Herédité de mélange (erronnée)
La redécouverte des lois de Mendel en 1900, suivie de la
publication de la théorie de la génétique des populations
en 1930 réhabilita la théorie de la sélection naturelle:
l’hérédité est constituée d’allèles, qui ne se mélangent
pas, mais ségregent dans les populations. L’évolution
implique un changement de fréquence des allèles.
L’évolution s’étudie à l’échelle des populations. D’où
l’expression de "génétique des populations"
X
Herédité mendéliene (exacte)
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(LUNDI MATIN) – POPULATIONS : COMPARAISONS ENTRE ÉCHANTILLONS
Définitions:
- On appelle population un groupe d’organismes se reproduisant entre eux
pour former une même communauté reproductive.
- On appelle polymorphisme l’existence de plusieurs formes discrètes au sein
d’une même population.
- Dans une population panmictique, un systèmes d’allèles neutres engendre
des fréquences génotypiques en proportions de Hardy-Weinberg.
Tests statistiques.
La première étape d’un travail de génétique des populations consiste à
comparer des populations entre elles, ou à une population de référence (réelle
ou théorique), et à démontrer qu’il existe des différences significatives entre
elles. Car si les différences ne sont pas significatives, il n’y a rien à expliquer ..!
Le succès de cette première étape étant acquis, l’étape suivante consistant
à rechercher les causes des différences.
Exemples de polymorphisme :
variations qualitatives au sein des
espèces: escargots des haies
(Cepaea nemoralis) , coccinelle
asiatique (Harmonia axyridis).
Résumé du cours
La mise en évidence des différences fait souvent appel à un test nonparamétrique : test du χ2 , test G, test exact de Fisher.
Par convention, le seuil de 0,05 est le seuil de signification statistique. C’est
un compromis entre les deux risques opposés : risque de rejeter une hypothèse
vraie (risque de première espèce), et risque de ne pas rejeter une hypothèse
fausse (risque de deuxième espèce).
Lorsqu’on réalise plusieurs tests, on augmente le risque de première espèce
(rejeter une hypothèse vraie). Il faut appliquer la correction de Bonferronni pour
compenser la multiplicité des tests.
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(LUNDI APRÈS-MIDI) – POLYMORPHISME : MESURE DE LA VARIATION
Mesure du polymorphisme. On appelle diversité allélique (H) la probabilité de trouver
deux gènes identiques par état au cours de deux tirages indépendants dans la
populations. Dans le cas d’un système diploïde, H peut aussi s’appeler hétérozygotie. On
appelle homozygotie son complément à un, soit F = 1-H.
-L’homozygotie d’une population se calcule comme F = Σpi2, où les pi sont les
fréquences des k allèles (i= 1..k).
- L’héterozygotie d’une population se calcule alors comme H = 1 – Σpi2.
Différentes manières
d’observer la variation
génétique
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- On démontre que l’hétérozygotie d’un échantillon de taille n est égale à h = H(1-1/n).
Cette baisse de la diversité est due à l’échantillonnage. De même que dans une petite
population, les individus tendent à devenir apparentés et consanguins, de même, tout
échantillonnage réduit la valeur observée de la diversité allélique. Si l’on veut estimer la
diversité d’une population à partir d’un échantillon de taille n, il faut compenser cette
erreur de mesure. L’estimation de la diversité de la population à partir des fréquences
observées devient : H = (1 – Σpi2)(n-1)/n.
Cette formule donne à la fois l’estimation du biais d’échantillonnage et le rythme de la
dérive génétique aléatoire
EPHE - Cours de génétique des populations
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3 (MARDI MATIN): CONSANGUINITÉ, ÉVOLUTION DU POLYMORPHISME
A
I
Identité: deux gènes identiques par descendance dérivent du même
gène ancêtre. Le calcul de l’identité des gènes à partir des généalogies
permet de calculer le coefficient de parenté, et le coefficient de
consanguinité, deux mesures très utilisées en génétique humaine, en
techniques d’élevage, et dans les parcs zoologiques.
Mutation: au cours de la descendance des mutations peuvent se
produire dans la population. Deux gènes identiques par état portent la
même mutation. Ils appartiennent au même allèle
L’individu I est consanguin
Diminution de la diversité allélique. Le phénomène de perte de diversité
pare effet d’échantillonnage se produit aussi à l’échelle de la population,
mais à un rythme très faible du fait de la grande taille de la population. Par
définition, cette diminution après t générations est telle que Ht = H0 (11/2Ne). On appelle Ne l’effectif efficace de la population.
Généalogie
d’une
population
avec une
mutation
Dérive génétique aléatoire. L’effectif efficace Ne implique que la population
est de taille finie. On peut lui appliquer les lois statistiques et remarquer que
les fréquences alléliques fluctuent lentement au hasard selon une loi
binomiale. En une génération la fréquence pi d’un gène varie avec une
variance V = pi (1-pi)/(2Ne)
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4(MARDI APRÈS-MIDI): DIFFÉRENCIATION ENTRE POPULATIONS
Populations structurées: lorsqu’une espèce est fractionnée en populations plus ou moins isolées entre
elles, la dérive aléatoire tend à accumuler des différences génétiques entre celles-ci. On démontre que
dans le cas d’une espèce structurée, la diversité génétique totale HT tend à être supérieure à la moyenne
HS des diversités génétiques des populations, selon la formule : HT = HS + DST , avec DST ≥ 0.
Soient deux allèles, a et A dans une population
* Le triangle délimite toutes les valeurs que peut
prendre la fréquence du génotype hétérozygote
(H) en fonction de la fréquence de l’allèle a (p).
* La courbe passant par un maximum H = 0,5
correspond aux valeurs que prend si les
croisements se font au hasard (H = 2pq).
Que se passe-t-il quand on mélange deux
populations ?
* La fréquence du mélange est égale à la moyenne
des fréquences alléliques
* La fréquence des hétérozygotes du mélange est
toujours inférieure à la fréquence attendue des
hétérozygotes
Sewall Wright (1951) a défini un indice de fixation : FST = DST / HT . FST Varie de 0 (homogénéité de l’espèce)
à 1 (fixation d’allèles différents entre populations).
4(MARDI APRÈS-MIDI): DIFFÉRENCIATION ENTRE POPULATIONS
Trois modèles classiques de populations structurées
Après avoir montré qu’il y a un déficit d’hétérozygotes, il faut déterminer quel mécanisme est à l’origine de la différenciation des
populations. Il existe plusieurs modèles-types, qui permettent de faire des inférences sur la valeur numérique de paramètres
populationnels (NB. Quand il y a plus de 2 allèles, le FST prend le nom, plus général, de GST)
Phylogénie en étoile
Les populations n’échangent plus de
migrants et accumulent les différences
Exemple: chez le poisson corallien
Cephalopolis argus, la structuration
génétique permet de calculer l’effectif de
fondation de nouvelles populations
t
GST = 1 − e 2 N
−
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Isolement par la distance
Modèle en île
Par la migration, un équilibre s’établit
entre différenciation et ressemblance
Exemple: chez les mammifères sociaux la
structuration génétique différente des gènes
nucléaires et mitochondriaux révèle les
différences de comportement migratoires
entre mâles et femelles.
GST =
1
4Nem + 1
Les populations échangent de migrants de proche en
proche, la différentiation s’accroit avec la distance
Exemple: Les goëlands de l’espèce Larus agentatus forment
autour du pôle un cercle de sous-espèces en continuité, de
proche en proche, avec l’espèce Larus fuscus. En Europe
occidentale, les populations des deux espèces restent isolées
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GST
= f [log(dist.)]
1 − GST
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6(MERCREDI MATIN): EQUILIBRE NEUTRE MUTATION DÉRIVE
Taux de remplacement des
mutations neutres selon la théorie
de l’évolution moléculaire neutre
(Kimura 1983)
En 1968, Kimura et Ohta proposent le modèle neutre de l’évolution moléculaire, selon lequel le taux de mutation
suffit à expliquer le polymorphisme des protéines et de l’ADN. Certes la sélection existe, et joue un rôle important
dans l’évolution, mais elle détermine une faible fraction des polymorphismes détectés.
Il existe trois catégories de mutations :
- Les mutations neutres ou quasi-neutres. Leur fréquence fluctue au hasard dans les populations naturelles
- Les mutations délétères. Eliminées en quelques générations, elles n’engendrent pas de polymorphisme détectable
- Les mutations avantageuses. Elles peuvent aussi disparaître par dérive aléatoire, mais se fixent rapidement si elles
survivent. Elles n’engendrent pas de polymorphisme important. Il est transitoire.
Selon la théorie neutre, tout polymorphisme est récent, d’un âge maximum moyen de 4Ne générations.
Horloge moléculaire neutre : Kn = 2T.µn
Variation moléculaire neutre : θn = 4Ne .µn
La limule est un organisme n’ayant pas changé de
forme depuis 200 millions d’années. Pourtant,
elle est sujette à des mutations, et son niveau de
polymorphisme est comparable à celui des
autres organismes. Elle est parfaitement adaptée
à son milieu et la sélection n’a pas modifié sa
morphologie.
Résumé du cours
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5(MERCREDI APRÈS-MIDI): SÉLECTION NATURELLE
Mimétisme. Trois espèces de lépidoptères
d’Amérique du Nord (g. à d.) : Danaus plexippus
(monarque), Limenitis archippus (vice-roi), et
Limenitis arthemis. Le monarque n’est pas
mangé par les oiseaux, parce qu’il se nourrit
d’Asclépiales, plantes qui contiennent une
toxine vomitive. Le vice-roi bénéficie de sa
protection et ne ressemble plus extérieurement
aux autres Limenitis.
A l’époque de Darwin, il existait peu d’exemples démonstratifs de sélection en
action, sinon la sélection artificielle, la sélection sexuelle, et les cas de
mimétisme.
Entre 1918 et 1930, les généticiens des populations explorent les modèles
mathématiques de sélection naturelle . Dans le cas le plus simple, on montre que
la fréquence d’un allèle de fréquence p ayant un avantage s à l’état homozygote,
et hs à l’état hétérozygote, augmente très vite de fréquence suivant la formule
ci-dessous, puis se fixe dans la population :
p (h) + q (1 − h)
w
Ces formules ont joué un rôle considérable
dans l’histoire de la théorie de l’évolution.
Aujourd’hui on préfère estimer la fréquence
des évenements sélectifs dans les génomes.
On utilise alors la théorie de la coalescence.
∆p = spq
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Papillon Kallima à l’aspect de feuille morte
Sélection auprès des enclumes à grives
Escargots
jaunes autres Total
Pris par les grives
5
21
26
autres
37
43
80
Total
42
64
106
La couleur jaune protège les escargots de la
prédation par les grives dans la région étudiée.
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7 (JEUDI MATIN): SIMULATIONS DE POPULATIONS SUR ORDINATEUR
Illustrations de la dynamique du
changement sélectif :
Dérive
Effet de la sélection naturelle et de la dérive
aléatoire sur l’évolution des fréquences
alléliques,
Probabilité de perdre un allèle neutre,
avantagé, délétère
Changements sélectifs
Rôle de la récessivité et de la dominance
Systèmes sélectifs à l’équilibre. balancé
Il est demandé de venir avec
un portable !
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9 (JEUDI APRÈS-MIDI): EXEMPLES D’HYPOTHÈSES EN GÉNÉTIQUE ÉVOLUTIVE
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8 (VENDREDI MATIN): EVOLUTION DES SYSTÈMES GÉNÉTIQUES
Ce fraisier utilise trois manières de diffuser ses gènes (reproduction
asexuée par stolons, diffusion de fruits par les oiseaux, pollinisation de
fruits éloignés par les insectes). Elles ont des propriétés différentes
* Les systèmes génétiques : autogamie et hétérogamie
* Evolution du sex-ratio : pourquoi produire autant de mâles que de
femelles ?
* Le double avantage du sexe
* Conflits génomiques et distorsion de ségrégation: quand les gènes
trichent avec les lois de Mendel
* Histoire de la sexualité. Conceptions actuelles sur les transitions
majeures au cours de l’évolution ?
* Altruisme entre apparentés
* Sélection de groupe et sélection de parentèle
* L’origine et l’évolution de l’eusocialité chez les hyménoptères
sociaux
* Les diverses manières de transmettre des gènes
* Notion de trade-off entre stratégies alternatives
Sexualité entomophile des plantes, eusocialité des hyménoptères.
Cette ouvrière (stérile) de bourdon pollinisant une cardère illustre la
complexité des relations biologiques découlant de la reproduction
sexuée, adoptée dès ses origines par le monde vivant.
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10 (VENDREDI APRÈS-MIDI): DÉFINITION BIOLOGIQUE DE L’ESPÈCE
1. La définition biologique de l’espèce
2. Bilan du cours et du contrôle des connaissance
A NOTER
Apportez un ordinateur et une calculette
Contrôle des connaissances :
Une partie sera faite pendant la semaine de cours
Pour les masters, une partie sera faite à la maison
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