Historique Les précurseurs Darwin La théorie synthétique de l évolution La théorie de l évolution aujourd hui La sélection naturelle: la raison du

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1 Historique Les précurseurs Darwin La théorie synthétique de l évolution La théorie de l évolution aujourd hui La sélection naturelle: la raison du plus fort? L apparition de nouveaux organes: Evolution des processus développementaux L évolution à l échelle des génomes

2 La théorie de l évolution aujourd hui Génomique: Le décryptage des génomes

3 Le décryptage des génomes Génome: ensemble de l information génétique d un organisme contenue dans l ADN. Séquence de l ADN: succession des nucléotides = information Renversement de la méthode par rapport à la génétique moléculaire classique : phénotype mutation gène séquence séquence du génome séquence des gènes fonction

4 L avènement de la génomique Progrès technologiques majeurs: méthodes de séquençage ( «lecture» de la séquence en nucléotide de l ADN) automatique 2012: plusieurs milliers de génomes complètement séquencés. - La base de données du NCBI (ftp://ftp.ncbi.nih.gov/genomes/) répertorie les génomes complets de : >2000 procaryotes (bactéries et archées) Une centaine de levures (levure de bière et de boulangerie, ) Quelques dizaines de mammifères (homme, souris, rat, chien,...) Une poignée d insectes (drosophile, abeille, anophèle) Quelques plantes (Arabette - Arabidopsis thaliana, riz, mais) Un ver nématode (Caenorhabditis elegans) Quelques protistes (Plasmodium falciparum, Trypanosoma brucei,,) De nombreux virus - D autres centres de génomique donnent accès à d autres génomes séquencés. ENSEMBL UCSC mailto: Sanger Institute Enjeux économiques énormes. Un grand nombre de génomes additionnels ont été séquencés par des compagnies privées, et ne sont pas accessibles au public. 4

5 La taille des génomes Source: Taille du génome humain: paires de bases (nucléotides) Tendanciellement, la taille du génome est plus importante chez les organismes plus complexes (exceptions!!!!) Multiplication du nombre de génomes séquencés, séquençage de plus gros génomes associée à l amélioration des techniques de séquençage

6 Le séquençage de 2 ème et 3 ème générations Progrès technique: plus rapide, moins cher! Deuxième génération Les pyroséquenceurs actuels permettent de séquencer 1Gb par heure. Troisième génération (2008) Les nanotechnologies permettent de séquencer une seule molécule d ADN. D ici quelques années, un génome humain pourrait être séquencé en 24h, pour un coût de quelques dizaines d US$. Branton et al. The potential and challenges of nanopore sequencing. Nat Biotechnol (2008) vol. 26 (10) pp

7 La séquence et après?...cgatgctcaaacatttcaattttttaggtcaaaaatgcct TAGGTTTAGCACAGCAATGTAGGTGCCAAACTCATCGCAGT GAATTGCAGGCGGGAGCAACAAGGACGCCTGCCTCCTTTC TGCCTGCTTTTTGCAATAGTCCGATTTGAGAAGGGGACCCA CGAGAGACACAAAATGCACGCCCCCACGCCACATCCTTTT TACCCCGCAATGGGTTAAGACTGTCAACAGGCAGGCCACC TCGCAGCGTCCGCGGAGTTGCAGGCCCGCCCCCGCCAGG GTGTGGCGCTGTCCCCCTGGCGCTGGGCGGGGGAGGAGG GGCGCGCGGCGGCCGAGGAGGGGCGCGCGGCGGCCGG GCGGGGCGAGCGGAGGCGAGTGGAGGACGCGTAGACGC GCCGCGGTCCCCGCCTGCCGCTGCTCCGCCGCAGTCGCC GCTCCAGTCTATCCGGCACTAGGAACAGCCCCGAGCGGCG AGACGGTCCCCGCCATGTCTGCGGCCATGAGGGAGAGGT TCGACCGGTTCCTGCACGAGAAGAACTGCATGACTGACCT TCTGGCCAAGCTCGAGGCCAAAACCGGCGTGAACAGGAG CTTCATCGCTCTTGGTGGGTGGCCGGGGGTCGCCGCCGCT GGTAGGGCCACGGGAGCCGCCGCTGCCCCAGCTGCTGGG GAAGGAAGCAGGGAGAGGACTCGGGAAAGGTGGAGTCG GAGACAGACGGGACAAGCAGCATATTCAGGGATCAGGCT GGCCTCCCGGAAAGCGTGGGCATCGGAGGACCCCGCGGG GGCTGCCCAGGCTGAGGGTCGCGGGGCTGGAGGGCAGCT GCGGCGCCGGGCGCTGGCAGCTGGAAGGGCCAGCGCTG ACGTATGTCTGCCCCGCGGCCCGGCGCCCTATTCCTGCTG TCCTGCGCGGTGGGCGCGGACGGCGGGGCCCCTGCGGG CGGGCGCGTTGACGGAGGTACCCGGTCCTACCCGACCCTC CGTGGAGCTCCGCCCGGAG... Le séquençage = première étape pour l'analyse des génomes. Grand défi = Décryptage donner du sens Drew Sheneman, New Jersey -- The Newark Star Ledger 7

8 Année Taille du génome Nombre de gènes Gènes par Mégabase Kilobases par gène Fraction codante Fraction non-codante Séquences répétitives Où sont les gènes? Composition du génome Les génomes comprennent: Des régions codantes codent pour des protéines. Des régions non-codantes régulation de l expression des gènes +??? Premier défi: localiser les gènes dans le génome. Quand on compare des organismes de complexité croissante, on constate tendanciellement: Source de l image:mount M (2001) Bioinformatics: Sequence and Genome Analysis. New York: Cold Spring Harbor Laboratory Press. 564 p. Une augmentation très rapide de la taille du génome (1000 fois plus grand pour l humain que pour une bactérie) Organisme Mb % % % Mycoplasma genitalium , , Haemophilus influenzae , , Escherichia coli , , Saccharomyces cerevisiae , Arabidopsis thaliana , Caenorhabditis elegans , Drosophila melanogaster , Homo sapiens ,0 1,5 98,5 46 Une augmentation moins rapide du nombre de gènes (10 fois plus) Une augmentation marquée de la proportion de séquences non-codantes, et des éléments répétitifs. 8

9 Conservation de blocs de séquences codantes La localisation des gènes dans le génome est réalisée par des programmes informatiques faux négatifs, faux positifs, imprécisions! Génomique comparative: alignement des génomes de plusieurs espèces. Les régions codantes généralement mieux conservées que les régions non-codantes. Source: Philippe Gautier Les blocs de séquences conservées mettent en évidence la présence de fragments codants 9

10 Que font les gènes? De la séquence à la fonction. 1) Minorité des gènes fonction déjà connue 2) Pour les autres: prédictions. Hypothèse: similarité de la séquence de protéines codées par différents gènes suggère une conservation de leur fonction. Méthode: comparaison de la séquence inconnue à une bases de données de séquences connues. >PHO4,SPBC428.03C : THIAMINE-REPRESSIBLE ACID PHOSPHATASE PRECURSOR : Q01682;Q9UU70; Length = 463 Score = 161 bits (408), Expect = 1e-40 Identities = 138/473 (29%), Positives = 223/473 (46%), Gaps = 47/473 (9%) Query: 9 ILAASLVNAGTIPLGKLSDIDKIGTQTEIFPFLGGSGPYYSFPGDYGISRDLPESCEMKQ 68 +LAAS+V+AG S + + LG Y+ P G + PESC +KQ Sbjct: 10 LLAASIVHAGK------SQFEAFENEFYFKDHLGTISVYHE-PYFNGPTTSFPESCAIKQ 62 Query: 69 VQMVGRHGERYPT VSKAKSIMTTWYKLSNYTGQFSGALSFLNDDYEFFIRDTK 121 V ++ RHG R PT VS A+ I KL N G S+ + F T Sbjct: 63 VHLLQRHGSRNPTGDDTATDVSSAQYIDIFQNKLLN--GSIPVNFSYPENPLYFVKHWTP 120 Query: 122 NLEMETTLANSVNVLNPYTGEMNAKRHARDFLAQYGYMVENQTSFAVFTSNSNRCHDTAQ E S + G + R +Y Y T+ R D+A+ Sbjct: 121 VIKAENADQLSSS------GRIELFDLGRQVFERY-YELFDTDVYDINTAAQERVVDSAE 173 Query: 182 YFIDGL-GDKFN--ISLQTISEAESAGANTLSAHHSCPAWDDDVNDDILKK-----YDTK 233 +F G+ GD + + E +SAGAN+L+ ++SCP ++D+ D+ + + Sbjct: 174 WFSYGMFGDDMQNKTNFIVLPEDDSAGANSLAMYYSCPVYEDNNIDENTTEAAHTSWRNV 233 Query: 234 YLSGIAKRLNKE-NKGLNLTSSDANTFFAWCAYEINARGYSDICNIFTKDELVRFSYGQD 292 +L IA RLNK + G NLT SD + + C YEI R SD C++FT E + F Y D Sbjct: 234 FLKPIANRLNKYFDSGYNLTVSDVRSLYYICVYEIALRDNSDFCSLFTPSEFLNFEYDSD 293 Query: 293 LETYYQTGPGYDVVRSVGANLFNASVKLLKE--SEVQDQKVWLSFTHDTDILNYLTTIGI 350 L+ Y GP + ++G N L++ + D+KV+L+FTHD+ I+ +G Sbjct: 294 LDYAYWGGPASEWASTLGGAYVNNLANNLRKGVNNASDRKVFLAFTHDSQIIPVEAALGF 353 Query: 351 IDDKNNLTAEH-VPFMENTF----HRSWYVPQGARVYTEKFQCS-NDTYVRYVINDAVVP 404 D +T EH +P +N F S +VP + TE F CS N YVR+++N V P Sbjct: 354 FPD---ITPEHPLPTDKNIFTYSLKTSSFVPFAGNLITELFLCSDNKYYVRHLVNQQVYP 410 Query: 405 IETCSTGPGFS----CEINDFYDYAEKRVAGTDFLKVCNVSSVSNSTELTFFW C GP + CE N ++ST +T ++ Sbjct: 411 LTDCGYGPSGASDGLCELSAYLNSSVRVNSTSNGIANFNSQCQAHSTNVTVYY 463 Limites de cette approche? 10

11 Que font les gènes? Limites des méthodes d annotation Limites: Comment choisir un «seuil» de similarité à partir duquel on considère qu un peut assigner la même fonction à deux protéines? Le fait que deux séquences sont similaires ne signifie pas forcément qu elles assurent la même fonction. Certaines protéines peuvent assurer la même fonction tout en ayant des séquences différentes (évolution convergente). Une fois qu un gène a reçu une fonction par similarité de séquence, cette fonction putative pourra elle-même être utilisée pour prédire la fonction d un nouveau gène, sur base de similarité de séquence. propagation, voire expansion des erreurs. Nous devrions donc être conscients de ces faiblesses, et savoir que les annotations dans les bases de données doivent être considérées avec circonspection. Des observations génétiques (études de l effet de mutations) sont nécessaires pour conclure quant à la fonction d un gène! 11

12 Gènes orphelins: la mesure de notre ignorance En 1996, on avait prédit ~6200 gènes codant pour des protéines dans le génome de la levure. 30% avaient déjà été caractérisés par des méthodes expérimentales. 30% n avaient pas été caractérisés chez la levure, mais avaient des homologues de fonction connues chez d autres espèces (inférence de fonction par similarité de séquence). 40% n avaient aucun homologue de fonction connue. En 2008, le nombre de gènes codants est estimé à (plusieurs centaines de gènes initialement prédits étaient des pseudo-gènes). Parmi les gènes restants, (21%) restent de fonction inconnue. Pourtant il s'agit de l'un des organismes les plus étudiés du point de vue expérimental (génétique et biologie moléculaire). son génome complet est disponible depuis Depuis 1996, la communauté des levuristes s est mobilisée autour de projets gigantesques pour caractériser la fonction de tous les gènes de levure. Au moment de la publication du génome humain (2001), la fonction de 60% des gènes était complètement inconnue. 12

13 Le transcriptome: analyse de la régulation de l expression des gènes Les protéines codées par un génome ne sont pas toujours présentes (dans les mêmes proportions) dans toutes les cellules. l ensemble des gènes exprimés par une cellule définit son identité. Le transcriptome d une cellule, d un type cellulaire correspond à l ensemble des ARNm présents (correspondant à l ensemble des gènes actifs). Différentes cellules d un même organisme ont un transcriptome différent ( génome) Le transcriptome d une cellule dépend de l activité des facteurs de transcription. 13

14 L analyse du transcriptome Méthodes: puces à ADN ou microarrays (1997) ou séquençage ARN (RNA seq) (2006): en une seule expérience, mesure du niveau d expression de chaque gène d un génome. Applications: Etudes des variations de l expression des gènes: En fonction de l environnement: sources de nutriments, stress, médicaments,. Dans certaines pathologies (Ex: identification de gènes dont l expression est modifiée dans des cellules cancéreuses). derisi et al. (1997). Science 278: Spellman et al. (1998) Molecular Biology of the Cell 9: Golub et al. (1999). Science 286:

15 Conclusions concernant la génomique Une des premières leçons de la génomique est qu'elle a révélé la mesure de notre ignorance. Contrairement aux annonces médiatiques, le fait qu on connaisse depuis 2001 la séquence complète de notre génome suffit donc pas (loin de là) pour pouvoir affirmer qu'on l'a décrypté, et encore moins pour affirmer qu'on va bientôt pouvoir soigner toutes les maladies génétiques. La connaissance de la séquence n'est qu'un tout premier pas, et l'un des principaux défis de la biologie moderne sera d'interpréter ces génomes Identification de la fonction des gènes Compréhension des réseaux d'interactions moléculaires (biologie des systèmes) Nous disposons cependant de données massives, dont le décryptage constitue l un des plus grands défis pour la biologie moderne. 15

16 La théorie de l évolution aujourd hui Similitudes et variations: les chromosomes comme archives de l évolution

17 «Chromosome maps» at Ensembl Les «cartes chromosomiques» fournissent une vue d ensemble de la composition de chaque chromosome. 17

18 Comparaison homme-chimpanzé Les génomes de l humain et du chimpanzé ont plus de 98% de similarité de séquence, en dépit des 5.4 millions d années qui nous séparent de leur dernier ancêtre commun! THE ORIGIN AND EVOLUTION OF MODEL ORGANISMS Hedges, SB Nature Reviews Genetics 3, (2002) (source: Philippe Gautier) L ordre des gènes est presque complètement conservé entre le chromosome 1 de l homme et du chimpanzé. 18

19 Comparaison homme-souris L humain et la souris ont divergé il y a 90 millions d années - 40% de conservation de leurs séquences génomiques. THE ORIGIN AND EVOLUTION OF MODEL ORGANISMS Hedges, SB Nature Reviews Genetics 3, (2002) (source: Philippe Gautier) On observe de nombreux changements dans l organisation des chromosomes entre la souris et l homme (localisation, ordre). 19

20 Comparaison homme-poulet L humain et le poulet ont divergé il y a 360 millions d années. THE ORIGIN AND EVOLUTION OF MODEL ORGANISMS Hedges, SB Nature Reviews Genetics 3, (2002) (source: Philippe Gautier) Le nombre de réarrangements chromosomiques est encore plus important entre poulet et homme que pour la comparaison humain-souris. 20

21 Conclusion La comparaison de l organisation des chromosomes entre espèces nous donne une indication sur les évènements évolutifs passés. Des réarrangements chromosomiques peuvent être à l origine de l établissement de barrières chromosomiques (chevaux / ânes).

22 La théorie de l évolution aujourd hui Divergence des espèces: Branches enchevêtrées dans les arbres phylogéniques

23 Divergence des espèces selon Darwin Source: Darwin, C. (1859). L'origine des espèces. 23

24 Divergence des espèces selon Darwin La figure qui précède est la seule illustration du livre de Darwin L'origine des espèces. Il s'agit d'une généalogie imaginaire. L'axe vertical représente le temps. L'échelle est synchrone, c'est-à-dire que chaque niveau horizontal représente un moment précis. Chaque étage représente un grand nombre de générations. Les lettres représentent des groupes vivants (variétés ou espèces). Les branches et bifurcations représentent les divergences des groupes vivants (ordres, familles, genres, espèces, ). Certaines des branches initiales (B, C) sont interrompues Les ordres, les familles et genres tout entiers, qui n'ont plus de représentants vivants, et que nous ne connaissons qu'à l'état fossile. (OE p180) D'autres (A, I) se diversifient et donnent naissance à plusieurs sous-groupes. Les niveaux les plus anciens ne sont pas plus épais que les rameaux actuels. Il n y a en effet pas de raison de penser qu une population ancestrale comportait autant d individus que la somme des populations qui en descendent. Cette représentation n est pas anthropocentriste: chez Darwin, il n'y a pas de "tronc" central au sommet duquel aurait pu se situer l'homme. Au contraire, toutes les espèces contemporaines (y compris l homme) se situent au sommet de l arbre.

25 La phylogénomique But de la Phylogénie moléculaire: déduire le degré de parenté entre les espèces en comparant la séquence d une protéine partagée par ces espèces. Plus la séquence est différente, moins les espèces sont proches (elles ont évolué séparément depuis plus longtemps et ont donc accumulé davantage de variations). les arbres phylogénétiques représentent le degré de parenté (ressemblance) entre espèces Qui est plus proche de qui et non qui descend de qui Ces approches peuvent maintenant être généralisées en comparant les séquences de plusieurs centaines de gènes. Source: Rodríguez-Ezpeleta et al. Curr Biol (2007) vol. 17 (16) pp Toward resolving the eukaryotic tree: the phylogenetic positions of jakobids and cercozoans. Elles permettent d inférer des relations de parenté entre organismes très éloignés (règnes différents), et d établir ainsi des scénarios concernant les premières étapes de la diversification des êtres vivants. 25

26 L arbre universel de la vie revisité L arbre de la vie de Darwin) est revisité par Doolittle (1999) pour tenir compte Fig 2: des événements d endosymbiose liés à l apparition des organelles des eucaryotes (mitochondrie et chloroplaste). Fig 3: des transferts horizontaux entre génomes de procaryotes. Doolittle, W. F. (1999). Phylogenetic classification and the universal tree. Science 284,

27 L arbre universel de la vie revisité: l anneau de la vie Rivera & Lake (2004) analysent les relations entre tous les gènes d eukaryotes, d eubactéries, et d archées. Leur analyse suggère que les génomes eukaryotes résulteraient d une fusion entre un génome de bactérie et un génome d archée. Les gènes provenant des archées sont majoritairement impliqués dans des fonctions «d information» de la cellule (réplication, transcription et sa régulation). Les gènes provenant des bactéries sont majoritairement impliqués dans le métabolisme. Rivera, M. C. and Lake, J. A. (2004). The ring of life provides evidence for a genome fusion origin of eukaryotes. Nature 431,

28 Conclusion La phylogénie moléculaire et l analyse comparative des génomes permettent de détecter les traces des événements évolutifs passés. Ont contribué à un bouleversement important de notre vision des relations de parenté entre les êtres vivants. - endosymbiose. - échanges horizontaux de matériel génétique.

29 Conclusion générale Après la génétique et la biologie moléculaire dans la 1 ère et la 2 nde moitié du 20 ème siècle, la génomique et la génétique du développement enrichissent la théorie de l évolution Nouvelle théorie synthétique Innovations évolutives, changements morphologiques Relations de parenté entre les espèces scénarios évolutifs