Initiation à la phylogénie moléculaire. Jean-François Dufayard Équipe "Intégration des Données"

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1 Initiation à la phylogénie moléculaire Jean-François Dufayard Équipe "Intégration des Données"

2 Famille de gènes? Ou "Il était une fois la phylogénie"...??

3 Il était une fois la phylogénie Histoire évolutive des espèces / classification des espèces Phylogénie d'espèces

4 Il était une fois la phylogénie Histoire évolutive des espèces / classification des espèces Phylogénie d'espèces Histoire évolutive des molécules Phylogénie moléculaire

5 Il était une fois la phylogénie Histoire évolutive des espèces / classification des espèces Phylogénie d'espèces Modèles: arbres, classifications Histoire évolutive des molécules Phylogénie moléculaire Modèles: arbres, séquences, mécanismes d'évolution

6 Famille de gènes? Le point de vue biologique... Famille de gènes = Famille de gènes homologues Une famille de gènes homologues sont un groupe de gènes dont on suppose l'existence d'un gène ancestral commun. Deux gènes sont homologues s'ils ont un ancêtre commun. Trivialement: on ne peut construire une phylogénie que pour une famille de gènes homologues. Molecular phylogeny

7 Famille de gènes? Le point de vue bioinformatique... Famille de gènes ~ Un groupe de séquences similaires Similarité: mesure mathématique de ressemblance entre deux séquences comparables. Couverture: pourcentage de la longueur d'une séquence le long de laquelle elle est comparable à une seconde. Un gène est modélisé par sa séquence. L'hypothèse d'homologie entre deux gènes repose sur la similarité et la couverture des deux séquences TCGCTC---GTGGTCTTGTTTGGGCGT TTCGTTTGCGTCCTCTGCGTGTCTTGGTTGGGGCCGT Molecular phylogeny

8 De la modélisation du vivant...

9 De la modélisation du vivant... --TCGTTT-----TCGCTC--TTCGTTTGCGTCCTCTGC

10 Comparaison de séquences, un problème trompeusement simple...

11 ligner deux séquences: l'opération élémentaire Sujet: GTGGTC GTC lgorithme: Needleman & Wunsch lignement global, programmation dynamique

12 ligner deux séquences: l'opération élémentaire Sujet: GTGGTC G--TC Similarité ( or -) Gap sur la séquence (-) Gap sur la séquence (-) G T G G T C G T C

13 ligner deux séquences: l'opération élémentaire Sujet: GTGGTC --GTC Similarité ( or -) Gap sur la séquence (-) Gap sur la séquence (-) G T G G T C G T C

14 ligner deux séquences: l'opération élémentaire Sujet: GTGGTC --GTC Similarité ( or -) Gap sur la séquence (-) Gap sur la séquence (-) G T G G T C G T C ssez rapide, même sur de longues séquences. 3 - Calcul l'alignement optimal, d'un point de vue informatique. -

15 ligner un ensemble de séquences (n>) - en pratique Étendre l'algorithme de NW à plus de séquences Méthode de l'alignement progressif Calcul d'une matrice de distances par paires Calcul d'un arbre approximatif lignement des séquences le long de cet arbre GTGGTC GGGTC GTGGTC GTGGTC GTGGC...

16 ligner un ensemble de séquences (n>) - en pratique Étendre l'algorithme de NW à plus de séquences Méthode de l'alignement progressif Calcul d'une matrice de distances par paires Calcul d'un arbre approximatif lignement des séquences le long de cet arbre GTGGTC G-GGTC GTGGTC GTGGTC GTGGC...

17 ligner un ensemble de séquences (n>) - en pratique Étendre l'algorithme de NW à plus de séquences Méthode de l'alignement progressif Calcul d'une matrice de distances par paires Calcul d'un arbre approximatif lignement des séquences le long de cet arbre GTGGT-C G-GGT-C GTGGTC GTGGTC GTGGC...

18 ligner un ensemble de séquences (n>) - en pratique Étendre l'algorithme de NW à plus de séquences Méthode de l'alignement progressif Calcul d'une matrice de distances par paires Calcul d'un arbre approximatif lignement des séquences le long de cet arbre GTGGT-C G-GGT-C GTGGTC GTGGT-C GTGGC...

19 ligner un ensemble de séquences (n>) - en pratique Étendre l'algorithme de NW à plus de séquences Méthode de l'alignement progressif Calcul d'une matrice de distances par paires Calcul d'un arbre approximatif lignement des séquences le long de cet arbre GTGGT-C G-GGT-C GTGGTC --GTGGT-C --GTGGC...

20 ligner un ensemble de séquences (n>) - en pratique Étendre l'algorithme de NW à plus de séquences Méthode de l'alignement progressif Calcul d'une matrice de distances par paires Calcul d'un arbre approximatif lignement des séquences le long de cet arbre GTGGT-C G-GGT-C GTGGTC --GTGGT-C --GTGGC lgorithme glouton: une erreur est assumée jusqu'au bout La qualité de l'arbre guide influe celle de l'alignement Un bon arbre nécessite un alignement multiple... Versions améliorées: ClustalW << Muscle < MFFT (Thompson & al., )

21 C est bien mais pas suffisant Il reste forcément des parties artefactuelles Il faut donc NETTOYER! GBlocks Triml...

22 Des séquences à la phylogénie

23 Reconstruction phylogénétique: 3 catégories de méthodes 3 types de méthodes, pour 3 qualités de résultats et 3 vitesses d'exécution Méthodes de distance Méthodes par parcimonie Méthodes par vraisemblance Temps calculs *** ** * Qualité de l'arbre obtenu * ** ***

24 Reconstruction phylogénétiques: méthodes de distance Méthodes de distance Méthodes par parcimonie Méthodes par vraisemblance Hypothèse: l'histoire la plus courte est la meilleure lignement multiple Matrice de distance rbre phylogénétique

25 Reconstruction phylogénétiques: méthodes de distance Méthodes de distance Méthodes par parcimonie Méthodes par vraisemblance Hypothèse: l'histoire la plus courte est la meilleure lignement multiple Matrice de distance rbre phylogénétique

26 Reconstruction phylogénétiques: méthodes par parcimonie Méthodes de distance Méthodes par parcimonie Méthodes par vraisemblance Hypothèse: l'arbre inférant le moins de mutation est le meilleur. T G G G GTGT-C 3 G T G G-GT-C GTTGTC --GTGGT-C --GTGGC

27 Reconstruction phylogénétiques: méthodes par maximum de vraisemblance Méthodes de distance Méthodes par parcimonie Méthodes par vraisemblance Hypothèse: l'arbre le plus vraisemblable selon les données et un modèle d'évolution. Modèle d'évolution rbre le plus vraisemblable Données GTGT-C G-GT-C GTTGTC --GTGGT-C --GTGGC

28 Reconstruction phylogénétique: trouver le meilleur arbre Pour n séquences: il y a x 3 x 5 x 7 x... x (n - 5) phylogénies résolues possibles... 3 arbres pour 4 séquences, 5 arbres pour 5 séquences, millions d'arbres pour séquences...

29 Reconstruction phylogénétique: trouver le meilleur arbre Pour n séquences: il y a x 3 x 5 x 7 x... x (n - 5) phylogénies résolues possibles... 3 arbres pour 4 séquences, 5 arbres pour 5 séquences, millions d'arbres pour séquences... u dessus de séquences, évaluer tous des arbres est difficile Quel que soit ce que l'on veut optimiser: Longueur de l'arbre Parcimonie Vraisemblance Les logiciels doivent explorer les topologies possibles selon une euristique.

30 Reconstruction phylogénétique: trouver le meilleur arbre Pour n séquences: il y a x 3 x 5 x 7 x... x (n - 5) phylogénies résolues possibles... 3 arbres pour 4 séquences, 5 arbres pour 5 séquences, millions d'arbres pour séquences... u dessus de séquences, évaluer tous des arbres est difficile Quel que soit ce que l'on veut optimiser: Longueur de l'arbre Parcimonie Vraisemblance Les logiciels doivent explorer les topologies possibles selon des euristiques.

31 Reconstruction phylogénétique: trouver le meilleur arbre Pour n séquences: il y a x 3 x 5 x 7 x... x (n - 5) phylogénies résolues possibles... 3 arbres pour 4 séquences, 5 arbres pour 5 séquences, millions d'arbres pour séquences... u dessus de séquences, évaluer tous des arbres est difficile Quel que soit ce que l'on veut optimiser: Longueur de l'arbre Parcimonie Vraisemblance Les logiciels doivent explorer les topologies possibles selon une euristique. Logiciels de distances: Phylip, BioNJ, FastME... Logiciels de parcimonie: Phylip, PUP, TNT... Logiciels de maximum de vraisemblance : PhyML, RaxML...

32 Comparaison d'arbres (sujet découpé en fin de diaporama)

33 Phylogénie des espèces, et phylogénie moléculaire Histoire évolutive des espèces Phylogénie des espèces Histoire évolutive des molécules Phylogénie moléculaire

34 Réconciliation d'arbres Phylogénie moléculaire Seq- lfalfa Seq - Soybean Question ouverte Seq3 - rabido. Inférer l'histoire des gènes =? Inférer l'histoire des espèces Seq4 - Grape Phylogénie des espèces lfalfa Soybean rabido. Grape

35 Réconciliation d'arbres Phylogénie moléculaire Seq- lfalfa Seq - Soybean Seq3 - rabido. Seq4 - Grape Phylogénie des espèces lfalfa Soybean rabido. Grape

36 Réconciliation d'arbres Phylogénie moléculaire Seq- lfalfa Seq - Soybean Seq3 - rabido. Seq4 - Grape Phylogénie des espèces lfalfa Soybean rabido. Grape

37 Réconciliation d'arbres Phylogénie moléculaire Seq- lfalfa Seq - Soybean Seq3 - rabido. Seq4 - Grape Spéciation Phylogénie des espèces lfalfa Soybean rabido. Seq4 - grape Grape

38 Réconciliation d'arbres Phylogénie moléculaire Seq- lfalfa Seq - Soybean Seq3 - rabido. Seq4 - Grape Spéciation Phylogénie des espèces lfalfa Soybean rabido. Grape

39 Réconciliation d'arbres Phylogénie moléculaire Seq- lfalfa Seq - Soybean Seq3 - rabido. Seq4 - Grape Spéciation Phylogénie des espèces lfalfa Soybean rabido. Grape

40 Réconciliation d'arbres Phylogénie moléculaire Seq- lfalfa Seq - Soybean Seq3 - rabido. Seq4 - Grape Spéciation Phylogénie des espèces lfalfa Soybean rabido. Grape

41 Réconciliation d'arbres Phylogénie moléculaire Seq- lfalfa Seq - Soybean Seq3 - rabido. Seq4 - Grape Orthologie, paralogie, réconciliation d'arbres Plasticité des génomes Spéciation Phylogénie des espèces lfalfa Soybean rabido. Grape

42 Réconciliation d'arbres Phylogénie moléculaire Question ouverte Seq- lfalfa Seq - Soybean Inférer l'histoire des gènes =? Inférer l'histoire des espèces Seq3 - rabido. Seq4 - Grape Speciation Comparer l'histoire des gènesspecies et desphylogeny espèces = Inférer des évènements comme des duplications ou des pertes lfalfa Soybean rabido. Grape

43 De l'usage des concepts d'orthologie et paralogie G Groupes d'orthologues G G3 HOGENOM G4 Penel et al. G5 Duplications G6 G7 G8 Rouard et al. Conte et al. 8 G9 Hypothèse implicite: "Deux gènes orthologues ont des fonctions plus proches entre eux que deux gènes paralogues."

44 En conclusion... La phylogénie n'est qu'une information approximative, et parcellaire

45 Des projets d'intégration de données, en France PhyloSpace: projet NR de phylogéographie, appliqué aux insectes et aux plantes Genomicus: genome browser intégrant phylogénie et contexte génomique ncestrome: projet intégratif d'inférence d'entités ancestrales (génomes, interactomes...)

46 De la phylogénétique à la phylogénomique Question ouverte Inférer l'histoire des gènes =? Inférer l'histoire des espèces

47 De la phylogénétique à la phylogénomique Question ouverte Inférer l'histoire des gènes =? Inférer l'histoire des espèces nalyse phylogénétique: un gène, aligné avec soin Impact des évènements évolutifs

48 De la phylogénétique à la phylogénomique Question ouverte Inférer l'histoire des gènes =? Inférer l'histoire des espèces nalyse phylogénétique: un gène, aligné avec soin Impact des évènements évolutifs nalyse phylogénomique: nombreux gènes, analyse automatique Trouver le signal majoritaire

49 De la phylogénétique à la phylogénomique Données (super-matrice) : Taxons???? Gènes???

50 De la phylogénétique à la phylogénomique

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