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Dynamique et évolution desgénomes

Bernard Dujon

Cours BIM 3 novembre 2009

Charles Robert Darwin(1809-1882)

Les séquences des homologues divergent Les cartes génétiques se réarrangent

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

Espèce 1 Espèce 24867 85127

Lot communde gènes

Gènesspécifiques àl'espèce 1

Gènesspécifiques àl'espèce 2

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

Principes généraux de l'évolution des génomes

Les génomes ne sont que des instantanés de structures en évolution constante àchaque génération. Les génomes des individus d'une même espèce ne sont pas strictement identiques.

Divergence de séquences

Horloges moléculairesGénérations successives

Dérive génétique Sélection

Erreurs de réplication

Perte de gènes

Duplication degènes

Redondance des génomesGénérations successives

Formation degènes

Nouveaux gènes

Perte de gènes

Générations successives

Réarrangements chromosomiques

Délétiona 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

Duplicationa 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 (suite)

z w k l m n v y x g i u …. interchromosomique

Translocationsimplea 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

Translocationréciproque

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 …

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Duplication des gènes et conséquences

Gèneancestral

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

Susumu Ohno, 1970mutations

Copiesparalogues

Nouvelle fonction:néo-fonctionalisation

paralogues

Copiesparalogues

Gèneancestral

Spécialisation des fonctions:sub-fonctionalisation

paralogues

Gèneancestral

X

Copiesparalogues

Perte d'une copie:non-fonctionalisation

Perte de gènes

Délétion: un seul gène ouquelques gènes adjacents

Dégénérescence mutationelle:formation de pseudogènes

Trios parents-enfant normaux:Génotypage SNPComparaison avec carte HapMapCGH sur tiling-arrays

--> dans la population humaine, chaque individu porte dans son génome30-50 délétions de plus de 5kb à l'état hémizygote (total de 550 -750 kbmanquant)

Intrachromosomique

Interchromosomique

Duplications segmentaires

Instable au cours desgénérations ultérieures

Stable au cours desgénérations 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

Duplicationdu génome

Duplication totale du génome: exemple de la levure

Double synténie

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

régions dupliquées imparfaitesWolfe and Shields (1997) Nature 387, 708–713

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

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Tetraodon negroviridis

Duplicationtotale dugénome

Hypothèsedes 2R

DUPLICATION TOTALE DU GENOME (TETRAODON)Jaillon et al. 2004 Nature 431: 946-957

Blocs de synténieappariés 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 SUCCESSIVESDU 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 copieancestrale, l'autre diverge vite en séquence et/ou régulation)

Réarrangement massif des cartes génétiques

Incompatibilité génétique et spéciation

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Les surprises des ARN

micro ARNs 2002 Caenorhabditis elegans

D. Baltimore R. Dulbecco H. M. Temin

Transcription réverse1970 Chicken virus

cDNARNA

gene

retrogene

Richard J. RobertsPhilip A. Sharp

introns1977 Mammalian virus, rabbit globin gene

Intron Intron

Precursor RNA mRNA+

retrotransposons1985 yeast

Jef D. Boeke mobileelement

cDNARNA

mobile element

Interférence ARNearly 1980 then 2000 petunias, fungi, Caenorhabditis elegans

Andrew Z. Fire Craig C. Mello

Sydney AltmanThomas R. Cech

Catalyse par l'ARNEdition de l'ARN

1983 Tetrahymena nuclear intron, E. coli RNAse P

Trypanosoma RNA novel RNA sequence

ADN

ARN

Protéine

Transcription

Traduction

Réplication

1970-1980

Transcriptionreverse

EpissageEdition

1953-1961

ARN

Protéine

Réplication

Transcription

Traduction

ADN

Le dogme central de la biologie moléculaire

Gène

Fonction

GèneADN

ARN précurseurtranscrit du gène

Intron 2 Intron 3Intron 1

Exon 1 Exon 2 Exon 3 Exon 4

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

protéine

dégradation

+ Introns excisés

Phase codante

Jonctions des exons

régulation5' UTR 3' UTR

ARN épissé

Deux classes de mécanismes de transposition

reconnaît les«pieds du

transposon»

Transposase

1- choisit un site dans le génome2- coupe les deux brins de l’ADN3- insère le transposon excisé ou sa copie ADN

ARN

ADN

ARN Transcriptase inverse Intégrase

reconnaît lesextrémités de

l'ADNcADNc

copie l'ARNen ADN

1- choisit un site dans le génome2- coupe les deux brins de l’ADN3- insère l'ADNc Rétrotransposon

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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 kbCAGGGATGAAA TTTCATCCCTA

répétitions terminales inversées imparfaites(pieds du transposon )

Transposase

Exemple historique de transposon

gag pol

protéase, intégrasetranscriptase inverse

LTR LTR

décalage +1 decadre de lecture

6 kb

Transposon de levure (élément Ty1 pour transposon of yeast)

Exemple historique de transposonBoeke, J. D. et al. 1985. Cell 40: 491-500

AAAAAAAA 3 ’5 ’ ARN transcrit

Transcriptase inverseIntégrase

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 luipermet de capturer la protéine naissante ORF2p. ==> La transcription inverse est initiée surl’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.

7

Conséquences de l’activité des éléments mobilessur 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 laissentdes cicatrices)

➥ dysgénèse hybride (ex. deux lignées de Drosophile qui diffèrent par leur lotde transposons P ou I ne peuvent plus se croiser entre elles, formationd 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 colongène de la dystrophine: myopathies

Exon shuffling

~ 19 % des exons desgénomes eucaryotesproviennent de ce processus

exon

Exon 1 Exon 2Intron

nouvelexon

Nouvel épissage ou pertede l'intron

~ 4 % des nouveauxexons du génomehumain proviennent dece processus

Insertion d'un élément mobile

élement

mobile

Exon 1 Exon 2Intron

Formation de nouveaux sitesd'épissage ou perte des introns

Nouvelexon

Formation de rétrogènes

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

ADNc

rétrogene

fusion de gène

ou

ARN

gène ancestral

Conséquences de l’activité des éléments mobilessur 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

Gène humain RPE2-1 1 2 3 4 5 6

3' UTR5' UTR Alu J

exon 3

Partie de séquenceAlu J devenant unexon codant

intron

Ribulose-5-phosphate-3-épimerase

SaguinusLemur Eulemur Tarsius Saimiri Macaca Colobus Hylobates Pongo Pan HomoRéversion

Alu J insertion / fixation

Alu J exonisationStrepsirrhini

Tarsioidea

Platyrrhini

CercopithecoideaHominoidea

ca. 10 MYr

Mutations au site 3' d'épissage

Krull et al., (2005) Mol. Biol. Evol. 22, 1702-1711

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Formation de rétrogènes chez la levure

Nuclear export

XX ∆Nucleus

Accidentalencapsidation ofmRNA

Template switching of RTNuclear import

Cytoplasm

Ty1 andURA2

mRNAs

XX ∆mRNA

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

[ATCase - ]

[ATCase + ]

Gal promoter TySubstrate relative freq.

revertants

Glucose OFF 1Galactose ON 1000

X non-sense mutation

∆ deletion with frameshift

X ∆XATCaseURA2 15-30-72

Génomes riches et pauvres en capacité d'innovationlevure 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

régulationsévolution

fonctions

Le génome et son évolution

1953

RNA

Protéine

Réplication

Transcription

Traduction

ADN

2009

ADN

ARN

ProtéineS

Transcriptionmultiple

Traduction(code génétique)

Réplication

Transcriptionréverse

EpissageEditionRégulation

EvolutionOrigine des gènesEpigénèse

GenBankEMBL

UniProt

Le dogme central de la biologie moléculaire

ADN

ARN

Protéine

Transcription

Traduction(code génétique)

Réplication

1970-1980

Transcriptionréverse

EpissageEdition