Insertion-deletion-biases & the evolutionof genome size

SAAFI Henda

Mastère Génétique Humaine et Modèles Animaux

Par T.Ryan GregoryPublié dans science direct

IntroductionObjectifMatériels et MéthodesExpériences et résultatsConclusion généraleDiscussionPerspectives

Plan

Introduction

Mutation

Définitions

•La mutation est un terme désignant unchangement de la séquence en nucléotidesd’un gène, dû soit à une perte ou à un rajoutd’un ou plusieurs nucléotides, soit à unchangement d’un nucléotide par un autre

•Cette modification de l’information génétique peut provoquer, lors de la traduction de l'ADN, la production d'une protéine ne fonctionnant pas correctement

•Les facteurs internes engendrent des mutations dites spontanées se produisant au moment de la réplication cellulaire

•En général, elles sont rares et aléatoires, et donc elles constituent la principale source de diversité génétique, moteur de l'évolution

•Dans certains cas, la mutation peut procurer un avantage sélectif ou au contraire être défaillant

• C'est la base du processus de l'évolution

L’insertion

•L'insertion consiste en l'addition dans une molécule d'ADN d'une paire de bases ou plusieurs paires de bases

• Cela est du à un problème lors de la réplication qui se produit naturellement ou à cause d'un agent mutagène

•Cette insertion peut-être à l'origine d'un décalage du code de lecture du gène ayant subit l'insertion

•Les biais dans les insertions et les suppressions spontanées (indels) peuvent conduire à un rétrécissement du génome par des mécanismes mutationnels

•L’ article couvre trois idées différentes

(1) la notion générale de la perte de l'ADN par des préjugés suppression

(2) l'hypothèse de la perte de l'ADN, qui suppose que les variations dans la taille du génome peut être attribuée à des différences de taux de perte de l'ADN

(3) le «modèle d'équilibre mutation»

Mise en évidence de la relation entrel’évolution de la taille du génome et la notiondu modèle équilibre mutation

Objectif

Expériences et résultats

But1

L’etude de l’énigme de la variation de la taille du génome et son impact sur l’evolution

Expérience 1

Séquençage du génome humain en 2001

Des comparaisons plus récentes avec des modèles du génome des vertébrés

Séquençage du génome de la souris en 2002

Interprétation 1

l'évolution du génome n'est pas seulement, ni mêmeprincipalement, une histoire de l’ évolution du gène

le manque de la correspondance entre le nombre de

génes et la complexité organismique étiqueté comme

la valeur-G n’est que le moderne équivalent de la

déconnexion entre la taille du génome et la complexité

morphologique obsevée pour la première fois dans les

années 1940 et surnommée le paradox de la valeur C

en1970

•La valeur C représente la taille d'un génome , exprimée en paire de bases, ou en pico-gramme. Cette valeur C peut être mesurée pour chaque espèce, et n'est pas significative du niveau de complexité de l'organisme considéré, c'est le paradoxe de la valeur C

•la valeur C varie énormément entre espèces

•Les organismes Procaryotes (archéobactéries et eubactéries) sont dits « simples » et ont de petits génomes

• Les Eucaryotes (comme l'homme) sont considérés comme étant plus « complexes » et ont des génomes plus grands. Cela a conduit les biologistes à penser que la complexité d'un organisme pouvait être liée à la taille de son génome, c'est-à-dire à la valeur C

•Cependant, dès les premières mesures expérimentales, ilapparaît que certains organismes dits « simples » ont plus d'ADNque d'autres organismes dits « complexes »

•C'est le paradoxe de la valeur C il n'existe pas de relationentre la complexité d'un organisme et la taille de son génome.

•Le paradoxe de la valeur C, a été résolu par la découverte que la plupart d'ADN est non codant

•La perte de l’ADN non codant chez les eucaryotesconstitue le plus grand énigme de la valeur C

But 2

Expliquer le paradox de la valeur C en se basant sur la perte del’ADN

Experience2

Etude de la première théorie qui insiste sur la nature de l’ADN

Etude de la deuxième théorie qui insiste sur le rôle quantitatifde l’ADN

Les réductions de la taille du génome ont été envisagés, dans l'usine et chez plusieurs groupes d'animaux

Théorie qui se base sur la nature de

l’ADN

• Interprétation 2

• ADN égoiste ou selfish DNA séquences d’ADN génomique,capables de se répliquer et de se transposer, mais qui neconfèrent aucun avantage à la cellule.

• On parle d’ADN égoïste ou de parasite génétique car sonactivité ne sert qu’à assurer sa propre persistance au cours desgénérations.

•ADN égoïste est celui qui se transmet par les actions deséquences égoistes comme éléments transposables

•L’expension inevitable de ces èlèments produit une augmentationde la taille du génome , ce qui confére un desavantage sèlectif

• L’ADN non codant, autrefois appelé improprement ADNpoubelle Junk DNA , désigne l’ensemble des séquences dugénome qui ne sont pas traduites en protéines.

• Une proportion très importante de tous lesgénomes eucaryotes est composée de cette classe d’ADN

• l'ADN poubelle se réfère à l'accrétion de gène défunteou pseudogènes

• Les pseudogénes sont le cumul des mutations , dèpourvu de fonction et leurs réplication ne peut que défavoriser l’organismeen question

Théorie qui se base sur le rôle quantitatif de l’ADN

theorie de nucléosquelette

• la taille d’une cellule détermine la taille de l’ADN

theorie de nuclèotype

• La quantité d’ADN présente dans la cellule vainfulencer la taille de la cellule

• quoiqu'elles diffèrent considérablement dansleurs spécificités, les deux thérories décrient lavariation de taille du génome

• Ces théories mettent l’accent sur l’aspect diffèrent de la valeur C

• Mais la principale difficulté de ce répértoire actuel des théories

de la taille du génome c’est qu’il ne prévoit aucun mécanismeexplicite de la perte de l’ADN

•Même si dans certains cas la sélection de l'ADN diminuéest conforme aux relations connuesentre la taille du génome et les fonctions cellulaires / organismaltels que le taux métabolique, le temps de développement, ou la taille du corps

• un lien de causalité est proposé d'exister entrela taille du génome et la vitesse à laquelle l'ADN est supprimée par l'accumulation de petites délétions qui ne sont pas compensé par des insertions.

•Petrov en 2002 soutient que les différences'' dansla taille du génome peuvent être entraînée en grande partie par des changements dans le taux de nucléotides perdu par les suppressions spontanées les petites indels.

ButExpliquer l'hypothèse de la perte d'ADN, le modèle d'équilibre mutationnel et les indel

Interprétation

•L'ADN est souvent perdu, en quantités biologiquement pertinentes, par biais dans les petits indels (c'est à dire, <400 pb) •Les modèles de changement de taille de génome évalué traité exclusivement avec ces petits indels

•En fait, il y a trois questions distinctes impliquées dans cette discussion

•Le biais d’ indel peut entraîner des pertes importantes d'ADN ?

•Le mécanisme de perte de l’ADN joue-il un rôle important dans l’élaboration de la diversité de la taille du génome ?

•L’èquilibre de mutation et l’effet sur l’évolution de la taille du génome ?

•Les insertions - délétions impliquant un petit nombre denucléotides sont attribuables aux erreurs de réplication del'ADN au cours de la méiose(comme pour la plupart dessubstitutions)

•Les longues insertions - délétions semblent provenir decrossing over inégauxou d'évènements de transposition via lestransposons ou les éléments transposables (retrotransposons,LINEs, SINEs, Alu, ...)

Changement mutationnels dans l’ADN

•Certaines insertions sont attribuables aux transferts horizontaux degènes,évènements rares où une espèce reçoit un morceau d'ADNprovenant d'une autre espèce (via des virus, plasmides, transposons...)

Comment voyait-on l'évolution au niveau de la fonction d'un gène

• La plupart des mutations sont délétères, elles réduisent la fitness de l'organisme

• elles sont éliminées de la population par sélection purificatrice

• Quelques mutations sont avantageuses, elles augmentent la fitness de l'organisme

• elles sont gardées par sélection positive darwinienne (adaptative)Espace des mutations

La fitness est fonction du taux de survie et de la fécondité

ExpérienceLes bactéries et la drosophile exemples de biais de la suppression

Interprétation

Bien que l'hypothèse de perte ADN est basé sur les données des animaux, les deux meilleurs exemples de mécanismes Indel proviennent de bactéries et de graminées

,

Retrait du génome des bactéries endosymbiotique

•chez les protistes il ya une corrélation positiveentre la teneur en ADN et la taille des cellules, etune relation négative entre le taux de celles-ci etla division cellulaire

•Il a largement été supposé que des relations semblables existeraient entre bactéries, en particulier étant donné que leur seul chromosome circulaire contient une seule origine de réplication

•Mais une récente comparaison révéle aucune corrélation avec la taille du génome chez lesprocaryotes

•Les bactéries se distinguent également des protistes elles ne montrent aucun signe du paradoxe de la valeur - C

•Car il ya une corrélation directe entre la taille du génome et le nombre de gènes dans ces organismes

•Il a été noté à plusieurs reprises que bactéries libresont de plus grands génomes que ceux qui dépendent de leurs hôtes

• Sélection pour la réplication rapide des parasites est uneexplication communément cité

•Bien qu'il n'y ait quelque raison de croire quebactéries libres peuvent être plus enclins àl'expansion du génome de formes parasitaires

•le biais de la suppression peut être le principaldéterminant de ce modèle

•Plus précisément, après un changement demodede vie notamment comme de passer à l’endosymbiose ou le parasitisme, de nombreux gènes essentiels précédemment perdent leur pertinence fonctionnelle

•Car ils succombent à un biais mutationnel et des petites délétions

•Encore une fois, cet exemple montre que chez les bacteriesle biais de suppression peut en effet façonner la diversité de taille du génome chez certains organismes

•Mais il ne corrobore pas l'hypothèse de la perte d'ADN

• Le biais de l a suppression peut expliquer la variation de la taille du génome constatées entre les bactéries vivant en liberté contre les parasites

•Mais il n'explique pas pourquoi les procaryotes ont des génomes beaucoup plus petites que ceux des eucaryotes (à l'exception de quelques protistes parasites avec des petites valeurs C)

•Ou pourquoi les régions d’ADN non codant sont tellement rare dans tous les génomes bactériens

•Il contribue donc très peu à la compréhension de l énigme de la valeur C

•En résumé, il existe des preuves que le biais de la suppressionaffecte la taille du génome chez les bactéries endosymbiotique,portant spécifiquement sur la perte de gènes

•Cependant ce biais de supression ne semble pas s'appliquer àd'autres endosymbiontes comme les organites ou nucleomorphs

La drosophile et l’évolution

•Henrique Teotonio et ses collègues ont examiné le chromosome 3 des drosophiles

•Toutes s'étaient rapprochées de leurs caractéristiques génétiques originelles mais de manière très imparfaite

•Non seulement cette évolution à rebours ne s’était pas effectuée avec la même rapidité pour tous les gènes

• mais encore celle-ci semble s’arrêter dès que les mouches présentent un bon degré d’adaptation à leur environnement héréditaire

•Autrement dit, certains insectes, qui peuvent avoir retrouvéextérieurement leur état ancestral – et présentent doncun phénotype identique à celui de leurs aïeux –, peuvent enrevanche être génétiquement différentes. L’évolution serait doncà sens unique

• On n'arrive à prévoir les changements au niveau de l'ADN qu'unefois sur deux , conclut Henrique Teotonio, ajoutant que lesconnaissances actuelles sur les liens entre gènes et évolutionrestent insuffisantes pour prédire la capacité d’adaptation d’uneespèce aux variations du milieu.

•Ces découvertes fournissent d’autres perspectives dans lacompréhension sur l’évolution des organismes vivants

• D’une part, elle démontre que l’évolution se produit par deschangements dans la distribution des allèles dans unepopulation donnée de génération à génération, plutôt que parmutations successives

• D’autre part, même si certaines mouches présentent un phénotype identique à celui de leurs ancêtres, elles peuvent être génétiquement très différentes.D’où un nouveau type de biodiversité

En raison de la différence de la longueur d'introns, le nombre de TE situés dans les séquences introniques est significativement plus faible dans les génomes non-mammifère par rapport aux génomes des mammifères

Dans les organismes ou le fonctionement des mécanismes d’epissage via les introns defénis , l’insetrion des Tes dans les exons codants serait plus répandue

TE ont joué un rôle important dans l'adaptation de mouches desfruits

L'un des rapports les plus importants était celui de la troncaturedu gène CHKov1 par un TE conduisant à la résistance auxpesticides

SINE et LINES ont été montrés dans de nombreuses publicationsà être des bons substrats pour le processus de l’ exonisation enraison de leur structure particulière

Chez les mammifères et les autres vertébrés de plus haut niveau lesSines et LINE dans les séquences introniques ont donné lieu à un plusgrand niveau d’ exonisation en raison de la pré-existence de sited'épissage de type séquences, telles que les voies putativespolypyrimidine et des sites d'épissage 5 ‘

L’analyse a montré aussi que l taille moyenne des derniers exons estplus longue chez les mammifères par rapport aux vertébrés nonmammifères et encore plus grande que celles des invertebrés,

Il y a une corrélation entre les longueurs des derniers exons et lepourcentage des TE insérés.

Les insertions des TE à l’interieurs des séquences hautementsrépétitives UTRs peuvent altérer les niveaux d’expresson des genes, créer de nouvelles cibles de micro ARN ou meme devenir des précurseurs de noouveaux micro ARN

Vraisemblablement, l’augmentation de la tailles des derniers exons et le pourcentage des TE dans ces exons chez les invertebrés jusqu’aux mammifères pourrait amener à un plus haut niveau de regulation de complexité observée chez des orgnismes plus évolués.

Le phenomènes d’exonisation par ls elements transposables est beaucoup plus observés chez les mammifères que chez les non mmmifères vertebrés, encore moins chez les invertebrés.

Conclusion

Suites à ces expériences, les résultats suggèrent qu’il existe un lien direct entre la taille des introns et le phénomène d’exonisation des élements transposables.

Ce processus est devenu encore plus répandu suite à l’apparition des mammifères.

Merci pour votre

attention