5.1. Les modes de sélection naturelle

5 Mécanismes évolutifs:

5. Mécanismes évolutifs:

la sélection naturelle la sélection naturelle

5.1. Les modes de sélection naturelle

5.2. Sélection chez les organismes haploïdes

5.3. Sélection chez les organismes diploïdes

5.4. Equilibre mutation-sélection

5.1. Les modes de sélection naturelle

• Formulation de la sélection naturelle par Darwin, 1859, p , , dans "L'origine des Espèces":

"Grâce à cette lutte pour la vie [et pour la reproduction], les variations,

l f ibl ' ll i d l ' ll i

quelque faibles qu'elles soient et de quelque cause qu'elles proviennent, tendent à préserver les individus d'une espèce et se transmettent

ordinairement à leur descendance, pourvu qu'elles soient utiles à ces

individus dans leurs rapports infiniment complexes avec les autres êtres organisés et avec les conditions physiques de la vie.

Les descendants auront eux aussi en vertu de ce fait une plus grande chance Les descendants auront, eux aussi, en vertu de ce fait, une plus grande chance

de survivre, car, sur les individus d'une espèce quelconque nés

périodiquement, un bien petit nombre peut survivre. J'ai donné à ce principe en vertu duquel une variation si insignifiante qu'elle soit se principe, en vertu duquel une variation si insignifiante qu elle soit se

conserve et se perpétue, si elle est utile, le nom de sélection naturelle, pour indiquer les rapports de cette sélection avec celle que l'homme peut

li "

accomplir."

5.1. Les modes de sélection naturelle

• Formulation moderne de la sélection naturelle:

– Dans chaque espèce, plus de descendants sont produits que ce qui pourra survivre et se reproduire

– Les individus diffèrent par leur capacité à survivre et à se

reproduire, en partie en raison de leurs différences phénotypiques

l l è i é i

et, selon les caractères, pour partie génotypiques

– A chaque génération, les phénotypes et les génotypes favorisant la s r ie et l'accès à la reprod ction dans l'en ironnement act el sont survie et l'accès à la reproduction dans l'environnement actuel sont sur-représentés à l'âge de reproduction, et contribuent de façon disproportionnée à la descendance de la génération suivante

disproportionnée à la descendance de la génération suivante

5.1. Les modes de sélection naturelle

• Sélection naturelle = force évolutive Ö changement des fréquences alléliques

fréquences alléliques

– augmentation en fréquence des allèles qui améliorent la survie et la reproduction Ö conduit à une meilleure adaptation (locale et temporaire) des organismes à leur environnement (force

temporaire) des organismes à leur environnement (force directrice de l'évolution)

– différentes populations d'une espèce:

• environnements très différents Ö différenciation génétique des populations liée à différentes adaptations (sélection divergente ou diversifiante)

• environnements similaires Ö effet homogénéisant de sélection s'opposant à la dérive génétique (sélection stabilisatrice)

Remarque: les conditions de l'environnement varient dans le temps (changements climatiques, anthropiques, compétiteurs, pathogènes ): relativité de l'adaptation et de la notion de

pathogènes,…): relativité de l adaptation et de la notion de progrès évolutif!

5.2. Sélection chez les organismes haploïdes g p

En résumé, la pression de sélection chez les organismes En résumé, la pression de sélection chez les organismes

haploïdes est une pression évolutive très puissante:

1 Elle peut modifier très rapidement la composition 1. Elle peut modifier très rapidement la composition

génétique d’une population

2 U llèl lét l l éli i é l

2. Un allèle létal sera par exemple éliminé en une seule génération

3. Un allèle avantageux (résistance aux antibiotiques chez une bactérie) sera très rapidement fixé

4. C’est une pression évolutive localement uniformisante:

Pas de polymorphisme attendu localement à l’équilibre.

5.1. Les modes de sélection naturelle

• Quantification de l'effet de la sélection naturelle:

– effet sur la survie: viabilités différentielles

• viabilité = probabilité qu'un individu de génotype donné survive depuis la fécondation jusqu'à l'âge reproducteur

– effet sur la capacité reproductive: fertilités différentielles

• fertilité = espérance du nombre de descendants d'un individu de génotype donné

V l él ti d' é t l b l d d it d

– Valeur sélective d'un génotype: valeur absolue du produit de sa viabilité par sa fertilité (ex. Valeur sélective de AA = W_AA= 0.8; W_aa = 0.5): Darwinian fitness

0.5): Darwinian fitness

– Valeur sélective relative d'un génotype: valeur sélective relative par rapport à celle d'un génotype choisi comme référence (ex. w_AA

p pp g yp ( _AA

= 1.0; w_aa = 0.5/0.8=0.625)

5 Mécanismes évolutifs:

5. Mécanismes évolutifs:

la sélection naturelle la sélection naturelle

5.1. Les modes de sélection naturelle

5.2. Sélection chez les organismes haploïdes

5.3. Sélection chez les organismes diploïdes

5.4. Equilibre mutation-sélection

5.2. Sélection chez les organismes haploïdes g p

• Modèle:

– espèce bactérienne haploïde à reproduction asexuée – un locus à deux allèles, A et a,

– Ex: résistance à un antibiotique

Génotype Génotype

Génération t-1 A a

Fréquence avant sélection: p q

Fréquence avant sélection: p q

Valeur sélective relative: w₁ w₂

Après sélection: p w q w

Après sélection: p.w₁ q.w₂

Génération t:

Normalisation ^{p'= p.w1 q'= q.w2} Normalisation

valeur sélective moyenne dans la population

2 1

2

1 . .

.

. q p w q w

w q w

p p

+ +

5.2. Sélection chez les organismes haploïdes g p

• Changement des fréquences alléliques:

– fréquence de A à génération t : p’

équation récurrente

2

1 où . 1 .

' p.w w p w q w

p = = + équation récurrente

– variation de p entre génération t et génération t-1:

pression de sélection ∆p_s = p'-p

2

1 .

.

où w p w q w

p w +

Limite du processus: quel est l'équilibre? Ù∆p = 0

( )

w w w

p_s pq ¹ − ²

=

∆

• Limite du processus: quel est l'équilibre? Ù∆p_s = 0

Solutions:

– triviales: p=0, q=0 ou w₁ = w₂ (neutralité) – selon le signe de ∆p_s:

• Si w₁ > w₂, ∆p_s>0 et l'allèle A envahira la population (pÆ1)

Si ∆ ⁰ l' llèl A di î d l l i ( Æ0)

• Si w₁ < w₂, ∆p_s<0 et l'allèle A disparaîtra de la population (pÆ0)

5.2. Sélection chez les organismes haploïdes g p

En résumé, la pression de sélection chez les organismes En résumé, la pression de sélection chez les organismes

haploïdes est une pression évolutive très puissante:

1 Elle peut modifier très rapidement la composition 1. Elle peut modifier très rapidement la composition

génétique d’une population

2 U llèl lét l l éli i é l

2. Un allèle létal sera par exemple éliminé en une seule génération

3. Un allèle avantageux (résistance aux antibiotiques chez une bactérie) sera très rapidement fixé

4. C’est une pression évolutive localement uniformisante:

Pas de polymorphisme attendu localement à l’équilibre.

Mécanismes évolutifs:

Mécanismes évolutifs:

la sélection naturelle la sélection naturelle

5.1. Les modes de sélection naturelle

5.2. Sélection chez les organismes haploïdes

5.3. Sélection chez les organismes diploïdes

5.4. Equilibre mutation-sélection

5.3. Sélection chez les organismes diploïdes

• Modèle:

– modèle de Hardy-Weinberg avec panmixie pour un locus diallélique – sélection agit via les phénotypes sur les 3 génotypes produits

– générations discrètes (non chevauchantes); N Æ ∞

Génération t−1

é él i

Fréquence avant sélection:

Valeur sélective relative:

Après sélection:p Normalisation

l él ti Génération t:

Fréquence allélique

valeur sélective moyenne dans population

5 3 Sélection chez les organismes diploïdes 5.3. Sélection chez les organismes diploïdes

• Changement des fréquences alléliques:

• Changement des fréquences alléliques:

– fréquence de A et de a à la génération t : (p', q')

w q w

pq w

pq w

p² + + ²

∆ '

w

w q w

q pq w

w pq w

p

'

, '

=

– variation de p entre génération t et génération t-1: ∆p_s = p'-p

( ) ( )

[

]

p pq − + −

∆

[ (

) (

) ]

s w

p =

∆ ^{11 12 12 22}

s

s p

q = −∆

∆

5.3. Sélection chez les organismes diploïdes g p

Devenir des fréquences alléliques: il va dépendre du signe Devenir des fréquences alléliques: il va dépendre du signe

de ∆p

:

• Si ∆p est positif la fréquence de l'allèle A augmente (et

• Si ∆p

est positif, la fréquence de l allèle A augmente (et celle de a diminue)

Si ∆ t l t à é ilib

• Si ∆p

est nul on se trouve à un équilibre

• Si ∆p

est négatif, la fréquence de A diminue

Ö Il faut analyser la variation de Il faut analyser la variation de ∆p ∆p

pour les différents pour les différents

types de relations d'ordre entre les valeurs sélectives

5.3. Sélection chez les organismes diploïdes g p

Les quatre différents types de sélection:

Les quatre différents types de sélection:

Génotypes AA A

AA Aa aa

1. w

≥ w

> w

: sélection directionnelle en faveur de A 2. w

≤ w

< w

: sélection directionnelle en faveur de a 3. w

< w

> w

: sélection en faveur de l'hétérozygote 3. w

w

w

: sélection en faveur de l hétérozygote

= superdominance

4 w > w < w : sélection contre l'hétérozygote 4. w

> w

< w

: sélection contre l hétérozygote

= sous dominance (non traité)

5.3.1. Sélection directionnelle

• Exemple: sélection directionnelle négative Æ mutation "Curly" chez la Drosophile (ailes recourbées)p ( )

Phénotype curly Phénotype normal

Phénotype curly yp

Phénotype vestigial

5.3.1. Sélection directionnelle

• Exemple: sélection directionnelle négative Æ mutation "Curly" chez la Drosophile (ailes recourbées)p ( )

– allèle "Curly" (Cy) dominant sur l'allèle sauvage (+) pour le phénotype des ailes, codominant pour la viabilité

• homozygotes Cy/Cy sonthomozygotes Cy/Cy sont non viablesnon viables ÖÖ ww₂₂₂₂ = 0 0

• valeur sélective relative des hétérozygotes Ö w₁₂ = 0.5 – fréquence initiale des génotypes hétéroz. Cy/+ = 0.67,

pas d'homozygotes "Curly" du fait de la létalité pas d homozygotes Curly du fait de la létalité

• Changement des fréquences alléliques:

– fréquence de Cy à génération t_-1 = q = ½ x fréq.(Cy/+) = 0.335

0 335

. 0 5 . 0 335 . 0 665 . ' 0

2 22

2

12 + q w × × + ×

pqw

– prédiction à la génération t:

0 335

. 0 5 . 0 335 . 0 665 . 0 2 1 665

. 0

0 335

. 0 5 . 0 335 . 0 665 . 0

' 2 _{2 2}

22 2 12

11 2

22 12

× +

×

×

× +

×

= + +

+

= +

w q pqw

w p

w q q pqw

– Ö q' = 0.168q 0.168 Ö fréq.(Cy/+)fréq.(Cy/ ) à gén.à gén. tt = 2 x 2 x qq' = 0.3360.336

5.3.1. Sélection directionnelle

• Exemple: mutation "Curly" chez la Drosophile (ailes recourbées)

Élimination rapide de la mutation délétère par sélection directionnelle délétère par sélection directionnelle

en faveur de l'allèle sauvage Sélection purificatrice

5.3.1. Sélection directionnelle

P ét i ti d l d i t d l' ff t él tif d' llèl

• Paramétrisation de la dominance et de l'effet sélectif d'un allèle:

génotypes AA Aa aa

– valeurs sélectivesvaleurs sélectives ww₁₁₁₁ ww₁₂₁₂ ww₂₂₂₂

– cas général 1 1-hs 1-s

h ffi i t d d i d l' llèl déf bl (0≤ h ≤ 1) h=coefficient de dominance de l'allèle défavorable a (0≤ h ≤ 1) s=coefficient de sélection de l'allèle a (0≤ s ≤ 1)

– L'allèle défavorable a est récessif: h = 0 1 1 1-s – L'allèle défavorable a est co-dominant: h = 0.5 1 1-s/2 1-s – L'allèle défavorable a est dominant: h = 1.0 1 1-s 1-s

5.3.1. Sélection directionnelle

• La fréquence des allèles à la génération suivante s'écrira alors:

) 1

( )

1

2 (

2w pqw p pq hs p qhs

p + +

) 2

1 (

) 1

( )

2 1 (

) 1

' ^{11 12} ( _{2 2}

s q pqhs

qhs p

s q pqhs

hs pq

p w

pqw w

p p

−

−

= −

−

−

−

= +

= +

• La pression de sélection, ∆p_s, pourra donc aussi s'écrire:

( ) ( )

[ ( ) ( ) ] [

]

[ ] [ ]

) 2

1 (

) 1

(

2 22

12 12

11

s q pqhs

h q

ph pqs w

w w

q w

w p p_s pq

−

−

−

= +

− +

= −

∆

• Le changement des fréquences alléliques dépendra des propriétés de

∆p_s, et en particulier de:

(

) (

)

p − + − + −

5.3.1. Sélection directionnelle

• Sélection directionnelle positive: effet de la dominance de l'allèle favorable: ∆p

est toujours positif

(co-dominance) w_AA = 1; w_aa = 1 - 0.05 = 0.95

l, 1994)é de Hartl(tiré

•Si les 2 allèles sont co-dominants, l'allèle favorable se répand rapidement et se fixe

•Si l'allèle favorable est dominant, il se répand plus vite, mais sa fixation complète est lente

•Si l'allèle favorable est récessif, sa fréquence évolue au départ très lentement, mais sa fixation est ensuite très rapide

5.3.1. Sélection directionnelle

• Effet de l'intensité de la sélection:

AA Aa aa

– L'allèle favorable A est dominant / a: 1 1 1-s

(

hétérozygotes, h = 0)

) 1

2 pq( hs p

p + −

O it l i t ' t t j é i à

) 1

( )

2 1 (

) 1

' ( _{2 2}

s q p s

q pqhs

hs pq

p p

= −

−

−

= +

On voit clairement que p' est toujours supérieur à p

Ö si sÊ Ö p' ÊÊ, car il est sélectionné positivement chez les homozygotes et les hétérozygotes

homozygotes et les hétérozygotes

5.3.1. Sélection directionnelle

• Effet de l'intensité de la sélection:

(allèle favorable dominant)

1

s = 0.1

tageuxlèle avant

0.1

s = 0.05

ce de l’all

s = 0.01

fréquenc

0.01

0 50 100 150 200

générations

Ö Evolution lente si la pression de sélection est faible (sÌ)

5.3.1. Sélection directionnelle

• Sélection directionnelle positive: effet de la dominance de l'allèle favorable: ∆p

est toujours positif

(co-dominance) w_AA = 1; w_aa = 1 - 0.05 = 0.95

l, 1994)é de Hartl(tiré

5.3.1. Sélection directionnelle

• Cas des maladies génétiques récessives g q

l'allèle délétère m est récessif: h=0, l'allèle m est létal: s=1

• Génotypes MM Mm mm

– valeurs sélectives w₁₁ w₁₂ w₂₂

1 1 0

2 pq pq

p +

2 2

1 ' '

' 2 2 ,

'

q

pq p

q pq pq

p

pq p p

= + +

= +

La fréquence de l'allèle m diminue très lentement, en fonction du carré de la

2 2

' 1 1 ,

' 1

q

q q q

p q

= +

= + fréquence de l'allèle, et donc d'autant plus

lentement que q est petit: élimination totale quasi impossible

2

1 q

q

q_s q ≈ −

− +

=

∆ ^{q p}

Ex: pour q=2.10^-2, ∆q_s≈-4.10^-4

5.3.1. Sélection directionnelle

• Sélection directionnelle positive: effet de la dominance de l'allèle favorable: ∆p

est toujours positif

(co-dominance) w_AA = 1; w_aa = 1 - 0.05 = 0.95

l, 1994)é de Hartl(tiré

5.3.1. Sélection directionnelle

• Fréquence de l'allèle après g générations

' 1

q q q

= +

0 0

1 gq q_g q

= +

• Pour diminuer la fréquence de moitié , il faut un nombre de générations égal à

gq0

1 1

1

• Ex: pour que la fréquence de l'allèle m passe de 0 02 à 0 01 il faut 50

0 0

0

1 , 2 / pour

soit 1 ,

1

g q q

q q

g q _g

g

=

=

−

=

• Ex: pour que la fréquence de l allèle m passe de 0.02 à 0.01, il faut 50 générations, soit environ 1 000 ans chez l'homme!

Ensuite pour passer de 0.01 à 0.005, il faudra 100 générations soit environ 2 000 !

2 000 ans!

5.3. Sélection chez les organismes diploïdes g p

Les quatre différents types de sélection:

Les quatre différents types de sélection:

Génotypes AA A

AA Aa aa

1. w

≥ w

> w

: sélection directionnelle en faveur de A 2. w

≤ w

< w

: sélection directionnelle en faveur de a 3. w

< w

> w

: sélection en faveur de l'hétérozygote 3. w

w

w

: sélection en faveur de l hétérozygote

= superdominance

4 w > w < w : sélection contre l'hétérozygote 4. w

> w

< w

: sélection contre l hétérozygote

= sous dominance (non traité)

5.3.2. Avantage des hétérozygotes: superdominance g yg p

• Sélection en faveur des hétérozygotes ou superdominance:

é t AA A

génotypes AA Aa aa

– valeurs sélectives w₁₁ w₁₂ w₂₂

d i 1 1 1 t

– superdominance 1−s 1 1−t

( ) ( )

[ ( ) ( ) ] [ ( ) ( ) ]

[ ] [ ( ) ( ) ]

) 1

( 2

) 1

(

) 1

( 1 1

) 1

(

2

11 2

22 12

12 11

t q

pq s

p

t q

s p

pq w

q pqw

w p

w w

q w

w p p_s pq

− +

+

−

−

− +

−

= − +

+

− +

= −

∆

q s p t

p = ⇒ = =

∆

0 ˆ ˆ

t q s

t p s

p_s

= +

= +

⇒

=

∆

0 ,

5.3.2. Avantage des hétérozygotes: superdominance g yg p

• Sélection en faveur des hétérozygotes ou superdominance:

é t AA A

génotypes AA Aa aa

– superdominance 1−s 1 1−t

– Exemple: e p e:

• s = 0.1

• t = 0.2

667 .

ˆ

0

= +

t s p t

+ t s

Equilibre stable car indépendant du point de départ

5.3.2. Avantage des hétérozygotes: superdominance g yg p

• Sélection en faveur des hétérozygotes ou superdominance:

– Exemple: Anémie à cellules falciformes

Répartition des fréquences de l'allèle S Variant génétique de la chaîne β

hémoglobine à expression récessive (allèle mutant S):

individu SS individu AA ou AS (allèle mutant S):

>0.14

<0.02

5.3.2. Avantage des hétérozygotes: superdominance g yg p

• Sélection en faveur des hétérozygotes ou superdominance:

– Exemple: Anémie à cellules falciformes

génotypes AA AS SS

superdominance 1−s 1 1−t

– Dans régions d'endémisme de la malaria: 0.9 1 0.2 (s = 0.1et t = 0.8)

– Fréquence de allèle S attendue à l'équilibre:

11 ˆ

0

q

Ö

l'allèle quasi-létal S est maintenu à une fréquence ≈10% en 11

.

0

q s

raison de la sélection superdominante en présence de malaria

5.3.2. Avantage des hétérozygotes: superdominance g yg p

Cas de la mucoviscidose:

• La fréquence de l'allèle m est actuellement d'environ 2% en Europep

• Hypothèse: protection des hétérozygotes durant les grandes épidémies de cholérap

• Valeur sélective estimée des homozygotes normaux:

02 0 02 1

. t 0

q

w_MM = 0 98 w_M = 1 w = 0 02 . 0 98 1

. 0

1 = × ≈

= − t q s q

w_MM 0.98, w_Mm 1, w_mm 0

• Un très faible écart de valeur sélective suffit pour faire

augmenter la fréquence de l'allèle létal: difficile à démontrer!

augmenter la fréquence de l allèle létal: difficile à démontrer!

5.3.2. Avantage des hétérozygotes: superdominance g yg p

En conclusion:

En conclusion:

• Maintien de 2 allèles en un polymorphisme stable (balancé)

(balancé)

• Permet l'augmentation en fréquence d'allèles létaux chez les homozygotes (drépanocytose,

mucoviscidose?,…)

Mécanismes évolutifs:

Mécanismes évolutifs:

la sélection naturelle la sélection naturelle

5.1. Les modes de sélection naturelle

5.2. Sélection chez les organismes haploïdes

5.3. Sélection chez les organismes diploïdes

5.4. Equilibre mutation-sélection

5.4. Equilibre mutation-sélection q

• Pourquoi le maintien d'allèles délétères dans les populations?

1. Sélection superdominante (anémie à cellules falciformes): cas rare

2 Equilibre entre pression de mutation Ù sélection purificatrice 2. Equilibre entre pression de mutation Ù sélection purificatrice

• si mutations récurrentes Ö flux d'introduction constant

• si allèle faiblement délétère: faible pression de sélection (s p ( ÌÌ):

• si allèle ± récessif: caché chez les hétérozygotes

Ö dynamique très lente et accumulation d'allèles récessifs délétères

• Conséquences évolutives: mutations délétères récessives exposées en cas de croisements consanguins, d'où la

dépression de consanguinité

dépression de consanguinité

5.4. Equilibre mutation-sélection

• Modèle: 1 locus 2 allèles: A (normal) et a (mutant délétère)

délétère)

• Sans mutation: ^{' ( 1 ) ( 1 )}

2

w

s q

hs

q = pq − + −

[ ]

) 2

1 (

) 1

( h

h q

ph q pqs

w

s

−

− +

=

∆

P i d t ti é t A t d

) 2

1

( pqhs q

s q

−

−

• Pression de mutation récurrente: A→a avec taux de mutation = u, en négligeant la mutation réverse

up q

=

∆

5.4. Equilibre mutation-sélection

• Les deux forces ont un effet opposé sur les fréquences alléliques: à l'équilibre on aura

q

q

+ ∆

=

∆ 0

[ ^{ph q h} ] _up

pqs + ( 1 − ) = s up q

pqhs =

−

− 2 )

1

(

Î On peut prédire la fréquence à l'équilibre de l'allèle délétère

si on connaît h et s

( ) ^{q ˆ}

5.4. Equilibre mutation-sélection

Cas d'un allèle délétère entièrement récessif

génotypes AA Aa aa

g yp

1 1-hs 1-s

• a entièrement récessif: h = 0 1 1 1-s

2

s up q

p

sq =

− ) 1

( : simplifie se

générale expression

L' ₂

2

s u q

u sq

p q

≈

≈ et ˆ

donner pour

encore simplifie

se expression l'

, devant petit

est Si

2

Ex: Galactosémie, incidence 1/40 000, q = 5.10^-3 et s = 1

Ö permet d'estimer taux de mutation→allèle délétère: up = qq².s = 2.5 x 10^-5

(= une des méthodes pour l'estimation des taux de mutation chez l'homme)

( p )

5.4. Equilibre mutation-sélection

• Modèle 1 locus 2 allèles: A (normal) et a (mutant délétère)

génotypes AA Aa aa

génotypes AA Aa aa

cas général 1 1-hs 1-s

• a partiellement récessif

• a partiellement récessif

^ˆ

( )

Exemple: maladie de Huntington (dégénérescence neuro-musculaire) valeurs sélectives estimées 1 0 81 0 valeurs sélectives estimées 1 0.81 0

– faible désavantage aux hétérozygotes car apparition + tardive de maladie – estimation de hs = 1-0.81 = 0.19

– incidence de la maladie (pop. Michigan): 10^-4 – estimation de q = 5 x 10^-5

Ö permet d'estimer taux de mutation→allèle délétère: u = q x hs = 9.5 x 10^-6

5.4. Equilibre mutation-sélection

• a partiellement récessif: 0<h<0 5

Dépression de consanguinité Ö accumulation d'allèles

• a partiellement récessif: 0<h<0.5

( ) ^hs

u q ˆ =

Ö accumulation d allèles Faiblement délétères très

récessifs!

5.4. Equilibre mutation-sélection

En conclusion:

En conclusion:

• Le fardeau génétique des populations (présence de

mutations à effet défavorable) dépend de la dominance des mutations à effet défavorable) dépend de la dominance des allèles et de leur effet délétère

L llèl é if dé é t délétè (h < 0 02) t

• Les allèles récessifs modérément délétères (hs < 0.02) sont très facilement cachés dans le génome des espèces

ll à f t hété ti

allogames à forte hétérozygotie

6 Mécanismes évolutifs:

6. Mécanismes évolutifs:

la dérive génétique

la dérive génétique

6. Mécanismes évolutifs:

la dérive génétique

"Variation neither useful nor injurious would not be

affected by natural selection, and would be left either a fluctuating element, as perhaps we see in certain

polymorphic species, or would ultimately become fixed, owing to the nature of the organism and the nature of the conditions"

Charles Darwin, 1859

6. Mécanismes évolutifs:

la dérive génétique

Fluctuations aléatoires = bruit dans le système déterministe d'évolution des fréquences alléliques sous l'effet de la

sélection naturelle

Ronald Fisher, 1920-30

6. Mécanismes évolutifs:

la dérive génétique

Dérive génétique = force évolutive susceptible de générer de nouvelles combinaisons génétiques qui seront g

soumises au filtre de la sélection naturelle

Sewall Wright, 1920-40

6. Mécanismes évolutifs:

la dérive génétique

La plupart des polymorphismes observés au niveau La plupart des polymorphismes observés au niveau

moléculaire sont sélectivement neutres Î leur

dynamique d'évolution est déterminée essentiellement y q par la dérive génétique Î Théorie neutraliste de l'évolution moléculaire

Motoo Kimura, 1970

6 Mécanismes évolutifs:

6. Mécanismes évolutifs:

la dérive génétique la dérive génétique

6.1. Effet de la dérive génétique sur la diversité génétique

i t l ti

intra-population

6.2. Effet de la dérive génétique sur la différenciation g génétique inter-populations

6.3. Dérive génétique et sélection naturelle 6.3. Dérive génétique et sélection naturelle

6.4. Échelle de temps des processus concernés par la dérive génétique

dérive génétique

Mécanismes évolutifs:

Mécanismes évolutifs:

la dérive génétique la dérive génétique

6.1. Effet de la dérive génétique sur la diversité génétique intra-population p p

6.2. Effet de la dérive génétique sur la différenciation génétique inter populations

génétique inter-populations

6.3. Dérive génétique et sélection naturelle

6.4. Échelle de temps des processus concernés par la dérive génétique

dérive génétique

Dérive génétique: échantillonnage aléatoire des gamètes

Génération parentale Génération

0 0.50

Fréquence allèle 

Pool des gamètes

Les fréquences alléliques

d l l d è

dans le pool des gamètes sont identiques à celles de la génération parentale

0.50

Nouvelle génération Formée par tirage au hasard d’ n échantillon

1 0.60

hasard d’un échantillon de 10 gamètes

0 60 0.60

2 0.80

6.1. Effet de la dérive génétique sur la diversité

i i l i

génétique intra-population

N = 10 Fixation

ue _{0 8}

1.0

alléliqu

0.6 0.8

équence

0.4

Fré

0.0 0.2

Génération

0.0

0 10 20 30 40

6.1. Effet de la dérive génétique sur la diversité

i i l i

génétique intra-population

M dèl Modèle:

• Un locus, 2 allèles A (p) et a (q)

• Panmixie

• Absence de mutation, migration, sélection

• N < ∞

• La fluctuation des fréquences alléliques est assimilable au q q résultat d'un échantillonnage de 2N gamètes à chaque

génération

• La loi de probabilité associée est la loi binomiale

B(2N, p) Æ 2N tirages avec probabilité p à chaque tirage

6.1. Effet de la dérive génétique sur la diversité

i i l i

génétique intra-population

• Influence de la Influence de la taille de la population taille de la population sur dérive génétique sur dérive génétique

2N = 18 2N = 100

Fréq.

alléliq.

Fréq.

alléliq.

q alléliq.

Générations Générations

Générations Générations

Ö Fluctuations aléatoires plus importantes si NÌ

6.1. Effet de la dérive génétique sur la diversité

i i l i

génétique intra-population

• Dérive génétique Dérive génétique Ö Ö écart p/r fréquences 50/50 écart p/r fréquences 50/50

Ö Ì hétérozygotie Ö Ì diversité génétique intra-population

Relation entre proportions

ypes

AA aa

1993)

génotypiques de Hardy-Weinberg et fréquences alléliques

es génoty

Aa

de Ridley, ences de

La diversité génétique est maximale

(tiré d fréqu

est a a e quand p=q=0.5

fréquence de l’allèle a

6.1. Effet de la dérive génétique sur la diversité

i i l i

génétique intra-population

Dérive génétique

écart p/r fréquences 50/50

hétérozygotie

2N = 100

2pq = 0.5 2pq = 0.18

Dérive génétique Ö écart p/r fréquences 50/50 Ö Ì hétérozygotie

Fréq.

alléliq.

2pq = 0.48

2pq = 0.42

2pq = 0.32

Ì Hétérozygotie en moyenne sur

≠ populations ou ≠ locus ou ≠ locus

Générations

6.1. Effet de la dérive génétique sur la diversité

é éti i t l ti

génétique intra-population

Quantification de l'effet de la dérive génétique sur l'hétérozygotie

Q g q yg

de la population:

– Hétérozygotie (H) : proportion d'individus hétérozygotes (= 2pqyg ( ) p p yg ( pq si panmixie)

et H = probabilité que 2 copies de gènes tirées au hasard dans une p q p g population panmictique portent des allèles différents

– Homozygotie (F): proportion d'individus homozygotes (= p² + q²) avec F = 1-H

et F = probabilité que 2 copies de gènes tirées au hasard dans une

l i i i d llèl id i

population panmictique portent des allèles identiques

• Dérive génétique Î

et F Ê

• Recherche de l’équation récurrente:

6.1. Effet de la dérive génétique sur la diversité

é éti i t l ti

génétique intra-population

∃

• tirage de 2 gamètes provenant de la même copie de gène

– Prob. = 1/2N

• tirage de 2 gamètes provenant deg g p 2 copies de gène différentes

mais ayant le même allèle – Prob. = [1-(1/2N)] x F_t-1

car (F _t-1= prob. 2 copies gène tirées au hasard soient

identiques dans pop. parentale)

6.1. Effet de la dérive génétique sur la diversité génétique intra-population

Dérive génétique Ö

• Variation de l'homozygotie entre 2 générations (t-1 et t):

F_t = (1/2N) + [1-(1/2N)] F_t-1

f

or H_t = 1-F_t Ö

1 1 ⎞

⎜ ⎛

= H

H

1 2

⎜ ⎠

⎝ −

=

t

H

H N

6.1. Effet de la dérive génétique sur la diversité

i i l i

génétique intra-population

• Dérive génétique Ö

• Dérive génétique Ö

• quantification de Ì diversité génétique : ₁ 2

1 1 ⎟ ₋

⎠

⎜ ⎞

⎝⎛ −

= _t

t H

H N

Ö décroissance géométrique de H d'un facteur (1-1/2N) par génération⎝ 2N ⎠

Expérience chez drosophile:

• réplicats de populations avec N = 16

avec N = 16

• 19 générations avec N constant, panmixie intra-population, et pas de migration inter-population pas de migration inter-population

(tiré de Hartl & Clark, 1997)

6.1. Effet de la dérive génétique sur la diversité

i i l i

génétique intra-population

• Effet de fondation ou effet d'un goulot d'étranglement:

• Effet de fondation ou effet d'un goulot d'étranglement:

– Effet de fondation: fondation d'une nouvelle population à partir d'un petit nombre d'individus fondateurs

– Goulot d'étranglement: réduction brutale de l'effectif d'uneGoulot d étranglement: réduction brutale de l effectif d une population, et maintien d'un faible effectif pendant une durée

donnée

⎛ 1 ⎞

donnée.

2

1 1 ⎟

⎠

⎜ ⎞

⎝ ⎛ −

=

t

H

H N

2 = 3/4 H₁ = (¾)² H₀ = 0.56 H₀ H₃ = 3/4 H₂ = 0.42 H₀

Î La réduction de la diversité intra-population va dépendre de

l'i i é d l ( ) d é ( i d

3 2 0

l'intensité du goulot (N_goulot) et sa durée (taux croissance de population après le goulot)

6.1. Effet de la dérive génétique sur la diversité

i i l i

génétique intra-population

Goulot d'étranglement: effet de l'intensité du goulot (N ) et – Goulot d étranglement: effet de l intensité du goulot (N_goulot) et

sa durée (taux croissance de population après goulot)

N_goulot = 10 H

N_goulot = 2

6.1. Effet de la dérive génétique sur la diversité

é é i i l i

génétique intra-population

• Equilibre entre mutation et dérive génétique: q g q

– Mutation Ö entrée de nouveaux allèles mutants dans population

• Hypothèse: chaque nouvelle mutation génère un allèle mutant yp q g nouveau → Modèle à nombre infini d'allèles

– Dérive génétique Ö élimination d'allèles

– Question: quel est le niveau de polymorphisme attendu à l'équilibre entre 2 forces évolutives?

• Polymorphisme: mesuré par H = hétérozygotie

pour calcul: F = 1-H = homozygotie = probabilité que 2 copies de gènes tirées au hasard dans la population soient identiques

6.1. Effet de la dérive génétique sur la diversité

é é i i l i

génétique intra-population

• Equilibre entre mutation et dérive génétique: Equilibre entre mutation et dérive génétique:

∃

– tirage de 2 gamètes provenant

copies de gène parentales

g g p

de la même copie de gène parentale

Prob. = 1/2N

– tirage de 2 gamètes provenant de copies de gène parentales différentes

mais portant le même allèlep ^gamètes

Prob. = [1-(1/2N)] ^x F_t-1

(F _t-1= prob 2 copies de gène soient identiques dans pop. parentale)

– dans les 2 cas: vrai seulement si pas de mutation dans les

pas de mutation dans les 2 gamètes:

Prob. = (1-u)²

6.1. Effet de la dérive génétique sur la diversité

é é i i l i

génétique intra-population

• Equilibre entre mutation et dérive génétique: q g q

– Variation de l'homozygotie entre 2 générations (t-1 et t):

F

(1/2N)(1

+ [1 (1/2N)](1

= (1/2N)(1-u)

+ [1-(1/2N)](1-u)

à l'équilibre: F

= F

or H =1-F

Ö H* = 4Nu/(1+4Nu) Ö H

4Nu/(1+4Nu)

Ö

polymorphisme attendu

à l'équilibre augmente

avec N et avec u

6.1. Effet de la dérive génétique sur la diversité

é é i i l i

génétique intra-population

• Equilibre entre mutation et dérive génétique: q g q

– Données de polymorphisme pour allozymes: importance de la taille des populations (faible chez les mammifères, très élevée chez drosophiles)

4)artl, 1994tiré de Ha(t

6.1. Effet de la dérive génétique sur la diversité

é é i i l i

génétique intra-population

• Equilibre entre mutation et dérive génétique: q g q

• Ex. variation de H en fonction de N entre populations d'une même espèce

Eucalyptus albens

H

(allozymes)

( tiré de Frankel et al., 1995)

N

N

6.1. Effet de la dérive génétique sur la diversité

é éti i t l ti

g q p p

génétique intra-population

• Fluctuation taille des populations:

⎜ ⎞

⎛ 1 1 1 1

1

1

4 N u

⎟ ⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ + + + +

=

t

h

t N N N N

N

... 1 1

1 1

1 1

3 2

1

∑

=

= _t

i i

h

N N

1

1

N u

u H N

h h

4 1

* 4

= +

i

100 100

3

Exple: Effet d'un fort goulot d'étranglement

N_i= 100 100

2

5 . 77

1 1

1

3 =

+ +

h

= N

i= 1 2 3

100 + 2 + 100

Æ

Si fortes variation de N_i Æ intensité de dérive génétique déterminée par les valeurs les plus Ì

6.1. Effet de la dérive génétique sur la diversité génétiq e intra pop lation

génétique intra-population

• Equilibre entre mutation et dérive génétique: q g q

• Ex. variation de H en fonction du taux de mutation au locus marqueur considéré

t 2007)

u = 10

H*

g osity

10

e rozy g

u = 10

Het e

N

Mécanismes évolutifs:

Mécanismes évolutifs:

la dérive génétique la dérive génétique

6 1 Eff d l dé i é é i l di i é é é i

6.1. Effet de la dérive génétique sur la diversité génétique intra-population

6.2. Effet de la dérive génétique sur la différenciation génétique inter-populations

g q p p

6.3. Dérive génétique et sélection naturelle

6.4. Échelle de temps des processus concernés par la

dérive génétique g q

6.2. Effet de la dérive génétique sur la

diffé i i é é i i l i

différenciation génétique inter-populations

• Dérive génétique Ö g q fluctuations aléatoires des fréquences q

alléliques

évolution indépendante et divergente dans plusieurs populations "sœurs" Ö Ê différenciation inter-population

97)Clark, 199Hartl & C(tiré de