HORLOGES MOLÉCULAIRES ET DATATIONS EN BIOLOGIE EVOLUTIVE Module M1 - UM BGE 103 "Génétique des Populations & Evolution" Emmanuel J. P. DOUZERY ISE-M / Université Montpellier II http://mon.univ-montp2.fr/claroline/course/index.php?cid=genep
Etude de l apparition des mutations dans les populations, et de l évolution de leurs fréquences au fil des générations --> spéciation. Ici, nous allons voir comment il est possible d utiliser les substitutions pour dater des évènements de spéciation grâce à l'étude des taux d'évolution moléculaire. Ce sont les différentes macromolécules biologiques qui contiennent la plus grande quantité d'information pour reconstituer l'histoire passée des organismes. Il reste juste à savoir comment extraire cette information!
1. L'hypothèse de l'horloge moléculaire. 2. Fondements de la datation moléculaire. 3. Détection des écarts à l'horloge globale. 4. Variations des taux d'évolution moléculaire. 5. Les horloges moléculaires locales. 6. Les horloges moléculaires relâchées.
Les biomolécules constituent une machine à remonter le temps.
ALIGNEMENT DE L'α-GLOBINE CHEZ 6 VERTÉBRÉS (vache, homme, ornithorhynque, poulet, carpe, requin)
L'HORLOGE MOLÉCULAIRE GLOBALE : LE CAS DE L'α-GLOBINE requin carpe poulet 1.0 0.8 0.6 ornithorhynque homme vache 0.4 0.2 0 0 100 200 300 400 500 Age de l'ancêtre commun (Ma)
L'HORLOGE MOLÉCULAIRE GLOBALE : LE CAS DE L'α-GLOBINE 1.0 0.8 Pente = 0.81 / 450 = 1,8. 10-3 subs./site/ma requin Nombre de substitutions d'acides aminés / site 0.6 0.4 ornithorhynque poulet carpe 0.2 0 vache / homme 0 100 200 300 400 500 Age de l'ancêtre commun (Ma)
L'idée de l'horloge moléculaire se fonde donc sur le fait que le degré de remplacement des acides aminés dans les hémoglobines animales est a peu près proportionnel au temps absolu, comme le suggèrent les fossiles.
Séquence ancestrale T T K Séquence 1 Séquence 2 T = temps depuis la divergence vis-à-vis de la séquence ancestrale, que ce soit par duplication ou spéciation K = nombre de substitutions accumulées r = taux de substitution = K / 2T r α-globine = 1,8.10-9 / 2 = 0.9 x 10-9 AA substitué / site / an
L'existence de l'horloge moléculaire, c'est-à-dire de taux de substitution - protéique ou nucléotidique - apparemment constants à long terme, n'exclut pas la possibilité de fluctuations à court terme autour d'une valeur moyenne. Les horloges en évolution moléculaire se comportent plus de manière stochastique que comme de véritables métronomes.
Estimation des Substitutions [S] d'acides aminés sous un processus de Poisson. N = 6 Similitude observée : (N - S obs. ) / N = 1 - D o = 3 / 6 = 0,50 3 1 substitution Distance observée : D o = S obs. / N = 3 / 6 = 0,50 Distance réelle : D r = S réel / N = 4 / 6 = 0,67
A chaque site, la probabilité d'apparition de substitutions multiples [S] est déterminée par la loi de Poisson : λ x P (S = x) = e - λ. _ x! P (S = 0) = e - λ = 1 - D obs. λ = - ln ( 1 - D obs. ) Application numérique : λ = - ln ( 1-0.5 ) = 0.69 C'est le nombre moyen de substitutions par site accumulé depuis la divergence des 2 séquences protéiques.
0,6 0,5 P (S=0) = e -λ Proportion de sites identiques entre 2 séquences 0,4 P (S=1) = λ.e -λ P 0,3 0,2 0,1 0 P (S=2) = λ 2.e -λ /2 0 1 2 3 4 P (S=3) = λ 3.e -λ /6 P (S=4) = λ 4.e -λ /24 Substitution(s) par site
Le taux de substitution est le produit du taux de mutation par le taux de fixation. K = τ mutation x τ fixation = µ x f SUBSTITUTIONS NEUTRES K = 2N x µ x f avec f = 1/2N K neutres = µ Nombre de générations nécessaire au passage de 0 à 1 pour la fréquence d'un allèle neutre : 4N e Nombre de générations entre 2 fixations d'allèles neutres : 1 / µ
Le taux de substitution neutre est constant au cours du temps, dépendant du seul taux de mutation [Kimura 1968, 1983]. La théorie neutraliste rencontre donc ici l'hypothèse d'horloge moléculaire. SUBSTITUTIONS SÉLECTIONNÉES K = 2N x µ x f Par exemple, dans le cas d'une mutation avantageuse : f = 2s x N e / N D'où : K = 4N e x µ x s
LES MODALITÉS ÉVOLUTIVES DES SÉQUENCES DÉPENDENT DE LA PROPORTION RELATIVE DES DIFFÉRENTS TYPES DE MUTATIONS Sélectionnisme Neutralisme Théorie quasi-neutre Délétères Avantageuses Neutres Quasi-neutres [Bromham & Penny 2003]
L'horloge [moléculaire] sonne les heures. L'intervalle entre 2 sonneries suit une loi de Poisson de moyenne une heure. Les mutations neutres qui se substitueront les unes aux autres apparaissent au fil des générations, de manière aléatoire et régulière.