Dynamique et évolution desgénomes

Dynamique et évolution des génomes

Bernard Dujon Cours BIM 3 novembre 2009

Charles Robert Darwin (1809-1882)

Les séquences des homologues divergent Les cartes génétiques se réarrangent

Les lots de gènes ne se chevauchent que partiellement, même entre espèces voisines

Espèce 1 127 4867 85 Espèce 2

Lot commun de gènes

Gènes spécifiques à l'espèce 1 Gènes

spécifiques à l'espèce 2

Les organismes vivants n'évoluent pas, ils se reproduisent. Ce sont les populations qui évoluent.

Principes généraux de l'évolution des génomes

 Les génomes ne sont que des instantanés de structures en évolution constante à chaque génération.

 Les génomes des individus d'une même espèce ne sont pas strictement identiques.

Divergence de séquences Horloges moléculaires Générations successives

Dérive génétique Sélection Erreurs de réplication

Perte de gènes Duplication de

gènes

Redondance des génomes Générations successives

Formation de gènes

Nouveaux gènes

Perte de gènes

Générations successives

Réarrangements chromosomiques

Délétion

a b c d e f h j k l m n o p q r s t a b c d e f h j k l p q r s t

a b c d e f h j k l m n o p q r s t Inversion a b c d e f h j k l q p o n m r s t

Duplication

a b c d e f h j k l m n o p q r s t a b c d e c d e f h j k l m n o p q r s t Δ m n o

intrachromosomique

a b c d e f h j k l m n o p q r s t z w k c d e v y x g i u …

interchromosomique

Nouvelles jonctions, possibilité d'altération ou de fusion de gènes

Réarrangements chromosomiques

z w k l m n v y x g i u ….

interchromosomique

Translocation simple

a b c d e f h j k l m n o p q r s t a b c d n m l e f h j k o p q r s t

intrachromosomique

a b c d e f h j k o p q r s t

a b c d e f h j k l m n o p q r s t

interchromosomique

Translocation réciproque

intrachromosomique

t r s q d e f h j k l m n o p c b a

a b c d e f h j k l m n o p v k w z t s r q y x g i u …

Duplication des gènes et conséquences

Gène ancestral

Un génome n'est qu'un instantané d'un processus continuel de duplication et perte de gènes au cours des générations successives.

Susumu Ohno, 1970

mutations

Copies paralogues

Nouvelle fonction:

néo-fonctionalisation paralogues

Copies paralogues Gène

ancestral

Spécialisation des fonctions:

sub-fonctionalisation paralogues

Gène ancestral

X

Copies paralogues

Perte d'une copie:

non-fonctionalisation

Perte de gènes

Délétion: un seul gène ou quelques gènes adjacents

Dégénérescence mutationelle:

formation de pseudogènes

Trios parents-enfant normaux:

Génotypage SNP

Comparaison avec carte HapMap CGH sur tiling-arrays

--> dans la population humaine, chaque individu porte dans son génome 30-50 délétions de plus de 5kb à l'état hémizygote (total de 550 -750 kb manquant)

Intrachromosomique

Interchromosomique

Duplications segmentaires

Instable au cours des générations ultérieures

Stable au cours des générations ultérieures

unassembled sequence reads

interchromosomique intrachromosomique

Example: rat

Total duplications segmentaires récentes:

2.9 % du génome (rat) 1-2% du génome (souris) 5-6% du génome (homme)

Lachancea thermotolerans

Kluyveromyces lactis Saccharomyces cerevisiae

Candida glabrata

Zygosaccharomyces rouxii Saccharomyces castellii

Eremothecium gossypii Vanderwaltozyma polymorpha Duplication

du génome

Duplication totale du génome: exemple de la levure

Double synténie

Mewes et al. Nature (1997) 387 suppl: 7-65

régions dupliquées imparfaites

Wolfe and Shields (1997) Nature 387, 708–713

Duplication suivie de délétions nombreuses (90 % chez S. cerevisiae, 95 % chez C. glabrata)

Tetraodon negroviridis

Duplication totale du

génome

Hypothèse des 2R

DUPLICATION TOTALE DU GENOME (TETRAODON)

Jaillon et al. 2004 Nature 431: 946-957

Blocs de synténie appariés deux à deux

Double synténie (homme-Tetraodon)

DUPLICATION TOTALE DU GENOME (TETRAODON)

Aury et al., (2006) Nature 444: 171-178

Paramecium tetraurelia

49 000 gènes

DUPLICATIONS TOTALES SUCCESSIVES DU GENOME (PARAMECIE)

25 000 gènes 13 000 gènes 7 000 gènes ?

CONSEQUENCES DES DUPLICATIONS DE GENOME

Polyploïdie intégrale (initiale)

Perte des gènes dupliqués Déséquilibre du dosage génique

Divergence des séquences (asymétrie: une copie reste proche de la copie ancestrale, l'autre diverge vite en séquence et/ou régulation)

Réarrangement massif des cartes génétiques

Incompatibilité génétique et spéciation

Les surprises des ARN

micro ARNs

2002 Caenorhabditis elegans

D. Baltimore R. Dulbecco H. M. Temin

Transcription réverse

1970 Chicken virus

cDNA RNA gene

retrogene

Richard J. RobertsPhilip A. Sharp

introns

1977 Mammalian virus, rabbit globin gene Intron Intron

Precursor RNA mRNA

+

retrotransposons

1985 yeast

Jef D. Boeke mobile

element RNA cDNA

mobile element

Interférence ARN

early 1980

then 2000 petunias, fungi, Caenorhabditis elegans

Andrew Z. Fire Craig C. Mello Sydney AltmanThomas R. Cech

Catalyse par l'ARN Edition de l'ARN

1983 Tetrahymena nuclear intron, E. coli RNAse P Trypanosoma _RNA novel RNA sequence

ADN

ARN

Protéine Transcription

Traduction Réplication

1970-1980

Transcription reverse

Epissage Edition

1953-1961

ARN

Protéine

Réplication

Transcription

Traduction

ADN

Le dogme central de la biologie moléculaire

Gène

Fonction

ADN Gène

ARN précurseur transcrit du gène

Intron 2 Intron 3 Intron 1

Exon 1 Exon 2 Exon 3 Exon 4

Qu'est-ce qu'un gène ? Epissage des ARNs

protéine

dégradation

+

Jonctions des exons

régulation

5' UTR 3' UTR

ARN épissé

Deux classes de mécanismes de transposition

reconnaît les

«pieds du transposon»

Transposase

1- choisit un site dans le génome 2- coupe les deux brins de l’ADN 3- insère le transposon excisé ou sa copie ADN

ARN

ADN

ARN Transcriptase

inverse Intégrase reconnaît les extrémités de l'ADNc ADNc

copie l'ARN en ADN

1- choisit un site dans le génome 2- coupe les deux brins de l’ADN 3- insère l'ADNc

Rétrotransposon

McClintock, B. 1951 Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 16: 13-57 Eléments de contrôle du maïs (élément Ac pour activateur).

3 ’

5 ’ ARN transcrit

AAAAAAAA 3 ’

5 ’ ARN maturé

4 introns, 5 exons

3,5 kb 4,6 kb

CAGGGATGAAA TTTCATCCCTA

répétitions terminales inversées imparfaites (pieds du transposon )

Transposase

Exemple historique de transposon

gag pol

protéase, intégrase transcriptase inverse

LTR LTR

décalage +1 de cadre de lecture

6 kb

Transposon de levure (élément Ty1 pour transposon of yeast)

Exemple historique de transposon

Boeke, J. D. et al. 1985. Cell 40: 491-500

AAAAAAAA 3 ’

5 ’ ARN transcrit

Transcriptase inverse Intégrase GAG

polyprotéine protéase

Eléments de classe I actifs dans le génome humain

Mills et al., 2007 Trends in Genetics 23: 183-191

TSD: target site duplication

SINE 7SL

LINE

LTR

Modèle de retrotransposition des éléments Alu

La fixation de l’ ARN Alu sur le ribosome en train de traduire l’ORF2 de l’élément LINE L1 lui permet de capturer la protéine naissante ORF2p. ==> La transcription inverse est initiée sur l’ARN Alu et non plus sur l’ARN LINE L1.

On pense que la fixation se ferait par l’intermédiaire d’interactions avec SRP9p-SRP14p (tache jaune) comme pour l’ARN 7SL (car Alu en dérive).

L’ARN SVA (orange) se comporterait de même manière.

Conséquences de l’activité des éléments mobiles sur le génome et l'expression des gènes

➥ activation de l ʼexpression dʼun gène voisin (ex. certaines tumeurs)

➥ induction de cassures chromosomiques (ex. les transposons non duplicatifs laissent des cicatrices)

➥ dysgénèse hybride (ex. deux lignées de Drosophile qui diffèrent par leur lot de transposons P ou I ne peuvent plus se croiser entre elles, formation d ʼespèces nouvelles)

➥ induction de réarrangements chromosomiques (ex. translocations réciproques entre copies du même élément, cascades de « ponts cassures - fusions »)

➥ inactivation dʼun gène (exemple historique: le mutant white de la Drosophile) ex. d ʼinsertions délétères de l ʼélément LINE-1:

gène du facteur VIII: naissance de garçons hémophiles (le gène est sur le chromosome X) gène APC: cancer du colon

gène de la dystrophine: myopathies

Exon shuffling

~ 19 % des exons des génomes eucaryotes proviennent de ce processus

exon

Exon 1IntronExon 2

nouvel exon

Nouvel épissage ou perte de l'intron

~ 4 % des nouveaux exons du génome humain proviennent de ce processus

Insertion d'un élément mobile

élement mobile Exon 1IntronExon 2

Formation de nouveaux sites d'épissage ou perte des introns

Nouvel exon

Formation de rétrogènes

1 % des gènes humains, plus de nombreux pseudogènes, sont issus de ce processus

ADNc

rétrogene

fusion de gène ou ARN gène ancestral

Conséquences de l’activité des éléments mobiles sur l'évolution des génomes

Exemple d'exon shuffling

Long and Langley (1993) Science 260: 91-95 Long et al. (2003) Nature Genetics Reviews 4: 865- 875

Exonisation d'éléments mobiles

1 2 3 4 5 6

3' UTR

5' UTR Alu J

exon 3

Partie de séquence Alu J devenant un exon codant intron

Ribulose-5-phosphate-3-épimerase

Saguinus

Lemur Eulemur Tarsius Saimiri Macaca Colobus Hylobates Pongo Pan Homo Réversion

Alu J insertion / fixation Alu J exonisation Strep

sirrhini Tarsioidea

Platyrrhini

Cercopithecoidea Hominoidea

ca. 10 MYr

Mutations au site 3' d'épissage Krull et al., (2005) Mol. Biol. Evol. 22, 1702-1711

Formation de rétrogènes chez la levure

Nuclear export

XX ∆

Nucleus

Accidental encapsidation of mRNA Template switching of RT Nuclear import

Cytoplasm

Ty1 and URA2 mRNAs

XX ∆

mRNA Schacherer et al., (2004) Genome Res. 14: 1291-1297

[ATCase - ] [ATCase + ] Gal promoter Ty Substrate relative freq.

revertants

Glucose OFF 1

Galactose ON 1000

X non-sense mutation

∆ deletion with frameshift XX ∆

ATCase URA2 15-30-72

Génomes riches et pauvres en capacité d'innovation

levure homme

Gènes (codant des protéines) 5 770 ~ 23 000

Introns 280 > 100 000

Pseudogènes 10 > 25 000

Éléments mobiles ~ 50 > 1 100 000

Nombre de familles de protéines ~ 4 100 ~10 000 Redondance (gènes paralogues) 1,4 x 2,3 x

Exons codants Introns, UTR, pseudogènes Eléments mobiles Autres régions

régulations évolution fonctions

Le génome et son évolution 1953

RNA

Protéine

Réplication

Transcription

Traduction

ADN

2009

ADN

ARN

ProtéineS

Transcription multiple

Traduction (code génétique)

Réplication

Transcription réverse

Epissage Edition Régulation Evolution

Origine des gènes Epigénèse GenBank

EMBL

UniProt

Le dogme central de la biologie moléculaire

ADN

ARN

Protéine

Transcription

Traduction (code génétique)

Réplication

1970-1980

Transcription réverse

Epissage Edition