Définition La génomique est l’étude des génomes, de leur organisation,

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1 Définition La génomique est l’étude des génomes, de leur organisation, et de leur évolution, ainsi que de l’expression et de la fonction des gènes.

2 Evolution des Génomes Génome ancestral Génome Contemporain
Les génomes ne sont pas statiques Génome ancestral Génome Contemporain Evolution des gènes ancestraux temps Addition de nouveaux gènes Pertes de gènes Différences qualitatives : changement dans la nature des gènes Différences quantitatives : variations du nombre de gènes

3 Mécanismes produisant des différences quantitatives :
Evolution des Génomes Mécanismes produisant des différences quantitatives : deux forces opposées Augmentation du nombre de gènes Création interne de novo Duplication de gènes, de fragments chromosomiques ou de génomes complets (polyploidie) Apport extérieur Transfert horizontal Pertes de gènes Elimination des gènes « non nécessaires » Adaptation à un nouveau mode de vie Processus naturel de régulation des Génomes

4 L’évolution moléculaire dans le contexte de la Génomique
Deux grandes approches nécessaires et complémentaires Etude de l’évolution de chacun des gènes d’un génome Etude de l’évolution d’un génome En tant que tel Basé sur le concept d’homologie Analyse des évènements de duplication, Fusion et fission de gènes Structure/fonction des protéines Gain et perte de gènes Synténie Contexte Génétique Mise en évidence des forces Motrices sous-jacentes aux Modes d’évolution des génomes Phylogénie moléculaire

5 Génomique comparative
Dès que l’on a disposé de plusieurs génomes entièrement séquencés, on a eu envie de les comparer : démarche classique en Recherche Fondamentale Les applications : aider à l’annotation en identifiant les régions fonctionnelles identifier le jeu de gènes de chaque organisme Comprendre les mécanismes de l’évolution moléculaire comprendre les solutions trouvées par des organismes différents pour une même fonction Caractériser les gènes de l’adaptation Amélioration des espèces domestiquées Mesurer/appréhender la biodiversité Gestion, conservation des ecosystèmes Reconstruire l’histoire des espèces

6 Que compare-t-on ? position gène structure séquence Quantification
chromosome structure séquence Intron Exon Codon start Codon stop Motifs régulateurs ARN pré-messager Quantification expression ADNc ESTs ARN messager séquence AAAAA Protéine séquence structure fonctions

7 Génomique comparative
Dynamique des génomes Biochimie des organismes Plasticité du génome Ilôts de pathogénicité Évolution moléculaire Arbre du vivant Dernier ancêtre commun universel transferts horizontaux Évolution des protéines Organisation des gènes synténie Voies métaboliques Systèmes d’information

8 Vue d'ensemble : comparaison des données issues du séquençage de génomes d'organismes variés peut se faire à différents niveaux : comparer les jeux de gènes (protéines) entre génomes  informations sur la dynamique des génomes à courte et longue distance comparer les gènes (protéines) homologues entre eux au niveau de leur séquence  notion de gènes paralogues et orthologues comparer la position des gènes et leur voisinage sur le chromosome notion de synténie notion de contexte génétique Incidence : informations sur les relations fonctionnelles, le métabolisme, la physiologie d'organismes peu ou pas étudiés mise en évidence de différents types de gènes : informationnel, opérationnel mise en évidence de phénomènes de transfert horizontal

9 Les différents types de gènes
au niveau homologie au niveau fonctionnel Acquisition et perte de gènes Duplication Dégradation en pseudogènes Conservation de l'ordre des gènes Mécanisme de rupture de la synténie Contexte génétique : déduction fonctionnelle

10 Les différents types de gènes homologues Les gènes A et A’ sont des
espèce ancestrale A B duplication interne du gène B et divergence des deux copies A B1 B2 divergence par spéciation A B1 B2 A’ B1’ B2’ espèce 1 espèce 2 Les gènes A et A’ sont des B1 et de B2 sont des Gènes Gènes Orthologues Paralogues

11 Les différents types de gènes homologues
Deux gènes sont homologues s’ils ont divergé à partir d’une séquence ancêtre Commune Deux gènes sont orthologues si leur divergence est due à la spéciation Deux gènes sont paralogues si leur divergence est due à une duplication Donc 2 séquences sont ou ne sont pas homologues Dire que la protéine X a 80% d’homologie avec la protéine Y est donc incorrect : les deux protéines présentent 80% d’identité (résidus identiques) les deux protéines présentent 80% de similitude (résidus similaires)

12 Les différents types de gènes homologues
Comparaison interspécifique (orthologues) et intraspécifique (paralogues) Recherche des relations de parentés entre les gènes appartenant à différents génomes Deux types de comparaison menés en parallèle pour constituer des familles de gènes homologues identifier les gènes uniques à chaque génome Comparaison intragénomique familles de gènes paralogues Comparaison intergénomique familles de gènes orthologues Dénombrement des gènes issus d'une duplication ancestrale Dénombrement des gènes présents dans l'ancêtre commun aux espèces comparées 1 2 3

13 Les différents types de gènes Gènes informationnels
Comparaison au niveau fonctionnel Résultat obtenu au cours de comparaisons intergénomiques Mode d'évolution différent selon les trois Domaines du Vivant Gènes opérationnels métabolisme transport actif grandes fonctions cellulaires secrétion Gènes informationnels réplication recombinaison transcription traduction

14 Les différents types de gènes
au niveau homologie au niveau fonctionnel Acquisition et perte de gènes Duplication Dégradation en pseudogènes Conservation de l'ordre des gènes Mécanisme de rupture de la synténie Contexte génétique : déduction fonctionnelle

15 Acquisition et perte de gènes :
les grands mécanismes internes et externes mécanismes internes d'acquisition de nouvelles fonctions : duplication de gènes et/ou fusion duplication d’un gène puis divergence des copies par accumulation de mutations fusion de deux gènes voisins génome ancestral apparition de fonctions plus spécialisées par évolution progressive des copies de gènes dupliqués apparition de nouvelles fonctions par évolution progressive des produits de fusion de gènes voisins

16 Acquisition et perte de gènes :
les grands mécanismes internes et externes mécanismes moléculaires de la conversion des gènes en pseudogènes gène morcelé transcrit gène morcelé non transcrit gène très dégradé disparition complète sous forme de région intergénique gène (ORF) intact

17 Exemple de régions dupliquées (I)
ATPase AtRH23 F28P22 Chr I ATPase AtRH19 acetyltransferase F20D21 Chr I Région répétée ATPase AtRH4 acetyltransferase MDC16 Chr III Flavonol synthase Flavonol synthase AtRH25 AtRH26 AtRH31 Pyruvate kinase MBK5 ChrV MAH20 Chr V

18 Exemple de régions dupliquées (II)
Protéine putative Protéine kinase AtRH11 AtRH52 F14P22 Chr III F14N22 Chr II Protéine putative Protéine kinase AtRH37 Beta-1,4 N acetyl glucosaminyl transferase Protéine inconnue Protéine inconnue Protéine inconnue Protéine inconnue AtRH14 Proteine C F4P13 Chr III 6 gènes 10 gènes 1 gène 1 gène 1 gène T15N1 Chr V Protéine inconnue Protéine inconnue AtRH46 Protéine inconnue Proteine C Protéine inconnue Beta-1,4 N acetyl glucosaminyl transferase Protéine inconnue

19 Comparaison du génome mitochondrial de différents végétaux
Turmel, M., et al. Plant Cell 2003;15:

20 Les différents types de gènes
au niveau homologie au niveau fonctionnel Acquisition et perte de gènes Duplication Dégradation en pseudogènes Conservation de l'ordre des gènes Mécanisme de rupture de la synténie Contexte génétique : déduction fonctionnelle

21 Synténie Espèce 1 Espèce 2
Une région observée chez deux organismes est dite synthénique lorsqu’elle n’a pas subi de réarrangement depuis l’ancêtre commun de ces deux organismes Espèce 1 Espèce 2

22 Rupture de la synténie Gène Duplications Translocations Insertions Délétions Inversions Fusions Reliques Chromosome Duplications Translocations Insertions Délétions Inversions Fusions Rupture de la synténie Génome duplication

23 Contexte génétique Problèmes de voisinage Conservation de l'ordre de certains gènes malgré la rupture de la synténie Maintien strict de relations de voisinage pour certaines associations de gènes Notion de contexte génétique Gènes ayant une régulation commune de leur expression Gènes codant des protéines ayant des relations fonctionnelles cruciales

24 Eisenberg et al, 2000, Nature 405:823
Contexte génétique Le voisinage peut indiquer un lien fonctionnel Modèle de travail If two genes (blue and yellow in the figure) are found to be neighbours in several different genomes, a functional linkage may be inferred between the proteins they encode. The method is most robust for microbial genomes but may work to some extent even for human genes where operon-like clusters are observed Eisenberg et al, 2000, Nature 405:823

25 plasticité des génomes
Apport de gènes par duplication Rigidité Apport de gènes et rupture de synténie Perte programmée de gènes rupture de synténie par mouvement incessant des gènes certains gènes ne peuvent être séparés : contexte génétique Fluidité Un équilibre résultant de la neutralisation réciproque de forces motrices antagonistes

26 Chez les végétaux

27 Les génomes végétaux disponibles
45 génomes dont 5 complets

28 Les Angiospermes Plantes à fleurs Domestication - ~200 espèces - Principale source de nourriture et de fibre pour l’homme 2 sous-classes - dicotylédone (Fleurs) Génome modèle : Arabidopsis thaliana - monocotylédone (Herbes, céréales) Génome modèle : Oriza sativa Séparation : ~ Ma

29 Le génome d’Arabidopsis thaliana
25498 gènes - ~5,2 exons/gènes tRNA - 589 cytoplasmiques - 27 organelles - 13 pseudogènes snRNA (small nuclear) - constituent la machinerie d’épissage - 10 à 16 copies snoRNA (small nucleolar) - modification des ARNr et ARNsn dans le nucléole - 36 gènes

30 Les familles de gènes Duplications segmentales : 6303 gènes Gènes dupliqués en tandem : 4140 gènes 17% des gènes 1528 groupes jusqu’à 23 membres

31 Les duplications segmentales
24 blocs dupliqués > 100 kb 65,6 Mb (58% du génome) + réarrangements locaux Ancêtre tétraploïde ? Evènement ayant eu lieu : 112 Ma

32 Exemple d’une duplication

33 Les génomes du riz 2 sous-espèces japonica et indica 12 chromosomes 57000 à gènes Taille des exons et nombre similaires à ceux d’A. thaliana Taille des introns 3,6 fois plus grand

34 Synténie Indica/Japonica (chromosome IV°

35 Comparaison des gènomes monocotylédone/dicotylédone

36 Répertoire des gènes Transcriptome (en 2004) - A. thaliana : gènes 80 à 85% des protéines homologues à celles du riz les gènes sans similarité sont notés comme putatifs - O. sativa : à gènes 43,7% à 63% de protéines homologues avec celles d’Arabidopsis problème d’annotation, les éléments transposables sont annotés comme des gènes Identité ~49,5%

37 Organisation Génomique
Pas de synténie monocot/dicot : chez les vertébrés, conservation de la synténie sur des 100aines de millions d’années Polyploidisation suivi de perte aléatoire et rapide des gènes en double exemplaire Taille des génomes varie d’un facteur 1000 A. thaliana 125 Mb, Riz 400 Mb, maïs 2500 Mb, Orge 5000 Mb Blé (héxaploïde) Mb

38 Et les génomes non séquencés ?

39 Utilisation des génomes modèles
Conservation de la synthénie chez les graminées

40 Hybridations in situ de chromosomes en métaphase et interphase de différentes espèces
Heslop-Harrison,J. S. Plant Cell 2000;12:

41 L’origine de la fleur A+ E sépale A+ B + E pétale A+ C + E étamine
carpel

42 L’origine de la fleur

43 L’origine de la fleur

44 État homéostatique où gain et perte de gènes s'équilibrent
évolution des génomes État homéostatique où gain et perte de gènes s'équilibrent gènes contemporains codant de nombreuses fonctions variées et sophistiquées Génome multipotent autosuffisant acquisition de gènes évolution des gènes ancestraux Génome " minimal " dépendant ne contient que les gènes contemporains codant les fonctions nécessaires perte programmée de gènes Génome ancestral gènes ancestraux codant quelques fonctions primordiales

45 Notion de génome minimal
Approches conceptuelle et expérimentale Concept Rechercher le jeu de gènes minimal permettant une vie autonome permettrait de se représenter le contenu génétique des premiers organismes ancestraux Premières approches expérimentales génomique comparative des premiers petits génomes séquencés (H. influenzae et M. genitalium) biais car pathogènes n’ont pas de vie autonome  256 gènes prédits analyse expérimentale sur M. genitalium  gènes indispensables analyse expérimentale sur H. influenzae  259 gènes indispensables cas récent de B. subtilis (4200 gènes), un organisme capable de mener une réelle vie autonome environ 300 gènes seulement seraient essentiels Donc, grande convergence !!

46 Le riz – génome pivot