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REDONDANCE FONCTIONNELLE ou Pourquoi des gènes dupliqués chez les Angiospermes ?

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1 REDONDANCE FONCTIONNELLE ou Pourquoi des gènes dupliqués chez les Angiospermes ?

2 Comment expliquer l observation de mutants knock-out ne présentant pas de phénotype ou seulement un phénotype « léger » ?

3 Plan I -Mécanismes responsables des duplications II -Rôle des gènes dupliqués dans la « robustesse » envers les mutations nulles (exemple de la levure) III -Quelques exemples choisis de redondance

4 Mécanismes responsables des duplications

5 cluster Short- range duplication

6 MAP2K

7 Polyploïdie - La plupart des Angiospermes et 5% des Gymnospermes sont polyploïdes. En général doublement somatique du génome ou non réduction des cellules mères des spores - Le nombre chromosomique le plus élevé des Angiospermes serait celui de Sedum suaveolens (2n = 640), mais 2n = 1260 chez la Fougère Ophioglossum pycnostichum - La polyploïdisation se poursuit dans le genre Arabidopsis, avec A. suecica (2n=26) qui est un allo-tétraploïde entre A. thaliana et l ancêtre dA. arenosa (2n = 4x = 32) - Pour les espèces cultivées : 2n = 42 chez le blé tendre, 20 chez le maïs, 52 chez le coton, 48 chez la pomme de terre, 38 chez la vigne

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10 Les origines dArabidopsis 1) Une duplication très ancienne (origine des Angiospermes), une ancienne (100 millions dannées) survenue dans lancêtre des Eudicotylédones 2) Une duplication « récente » (24-40 M dannées) du génome dune Brassicaceae ancestrale : - passage de 2n = 2x = 8 à 2n = 4x = 16 chromosomes - perte de 70 % des gènes dupliqués 3) Remaniements chromosomiques (une soixantaine) 4) Fusions centriques (il y a 5 M dannées) réduisant le nombre de chromosomes de n = 8 à n = 5 5) Quelques duplications segmentaires (rDNA, bloc RAQ)

11 Blanc et al (Genome Research) - 71% du génome dA. thaliana dans 45 segments dupliqués depuis 24 à 40 millions dannées (âge des Brassicaceae), avec 28 % de gènes dupliqués, soit # 5800 gènes dupliqués % du génome d A. thaliana dans 63 segments dupliqués depuis près de 100 millions dannées (âge des Rosidae), avec 13,5 % de gènes dupliqués, soit # 1000 gènes dupliqués. (Maere et al proposent 771, 2765, 3947 gènes conservés) En 100 Ma 86,5 % des gènes sont éliminés, et en Ma 72% des gènes sont éliminés Un maximum des éliminations de gènes se produisent tôt

12 Chez les Angiospermes, laccumulation de paralogues, résulte de divers mécanismes allant dévènements « locaux » (duplication en tandem) « dispersifs » (duplication à courte distance, insertion d un rétrotranscrit, duplication segmentaire) jusquà des évènements « de grande ampleur » (duplication chromosomique ou génomique) Une vue simpliste du résultat de ces mécanismes est la présence de deux copies là où une seule suffisait. Quel est donc lintérêt de la seconde copie ?

13 Rôle des gènes dupliqués dans la « robustesse » envers les mutations nulles (exemple de la levure)

14 gènes dupliqués 1275 singletons 64,3 11,5 39,5 10,5 11,612,4 21,5 29 % effet du knock-out effet faible effet modéré effet fort létal 50 % singletons - 76 % dupliqués50 % singletons - 24 % dupliqués La mutation KO dun gène de levure en copie unique possède 2 fois plus de chances de présenter un phénotype marqué. Gu et al., Nature 21 janvier 2003

15 Ka = distance (non synonyme) avec le gène le plus proche Ka Effet effet faible effet fort 0 - 0,1 0,94 0,06 0,4 - 0,5 0,72 0,28 > 0,7 0,63 0,37 séquences divergentes séquences proches La fréquence décroît avec laugmentation de Ka R= - 0,95 (P < 0,001) La fréquence croît avec laugmentation de Ka R= 0,94 (P < 0,001) Il existe une forte corrélation entre la fréquence de complémentation fonctionnelle et la similarité de séquence des deux gènes dupliqués Relation entre la divergence des protéines (Ka) et leffet des délétions sur la valeur adaptative

16 Niveau dexpression FORT FAIBLE total 72 a 26 b a 12 b a, b : dans une colonne, les nombres suivis dune lettre différente indiquent une différence significative au seuil 0,001 Nombre de paires de gènes dont la délétion affecte fortement le phénotype Nb total effet différent un létal effet similaire Plus le gène est exprimé, plus sa délétion affecte la complémentation (dans 72 des 98 paires de gènes à effet différent, le plus fort effet sur la complémentation provient de la délétion du gène le plus exprimé) NB: chez un allotétraploïde, il nest pas étonnant que les 2 gènes dupliqués ne sexpriment pas au même niveau, chacun provenant dune espèce différente.

17 Chez la levure environ 60 % des gènes compensent les mutations nulles du fait de leur duplication, mais : - des conditions dans lesquelles les singletons ne sont plus compensés peuvent exister - tous les paralogues nont pas nécessairement été détectés Chez A. thaliana, la fréquence des gènes dupliqués est très élevée : - Il existe 35% de séquences uniques chez A. thaliana contre 55% chez C. elegans, 72% chez D. melanogaster et 71% chez S. cerevisiae - Les familles de plus de 5 membres constituent 8% des gènes chez S. cerevisiae, 12% chez D. melanogaster, 24% chez C. elegans et plus de 37% chez A. thaliana Ceci justifie limportance particulière des gènes dupliqués chez les plantes supérieures, et suggère que la redondance fonctionnelle y soit particulièrement présente.

18 Divers évènements surviennent rapidement après le doublement du nombre de chromosomes (donc de gènes) : - extinction de gènes : la copie est éteinte par mutation ou par un mécanisme épigénétique. Chez le blé des gènes du groupe A, codant pour des protéines de lalbumen, sont rendus silencieux. Laccumulation de mutations peut produire un pseudogène ou un fantôme. - délétion de gènes - remaniements chromosomiques - subfonctionalisation, fonctions recouvrantes, conservation de la fonction ancestrale, néofonctionalisation En termes dinteractions entre gènes, il est évident que de nouvelles interactions entre les génomes vont exister (dominance, épistasie). Qui plus est, on a pu noter lintervention de conversion, de recombinaison inter loci, dévolution concertée, déchange chromosomique inter- génomique, dinvasion génomique, de rééquilibrage nucléo- cytoplasmique.

19 La présence dun second gène offre quelques avantages : - maintien des 2 gènes quand laccroissement du niveau de transcripts est avantageuse. Les deux cas existent : niveau dexpression corrélé positivement avec le nombre de copies, ou maintenu constant malgré le grand nombre de copies (« dosage-compensation effect ») - la redondance donne un léger avantage sélectif (à certains moments, dans certaines conditions environnementales,…) - les gènes dupliqués peuvent être maintenus car pléïotropes, ou parce que cela présente un avantage sélectif (protéines multifonctionnelles, ou éléments de multifonctionalité). Plus généralement, les espèces polyploïdes présentent : - une très large gamme de gamètes (répartition centromères) - un fort niveau de variation génétique (origines multiples) - une forte hétérozygotie (parents différents) - une faible dépression inbred (présence de plusieurs génomes)

20 Quelques exemples choisis de redondance

21 Un exemple simple de redondance : les facteurs de transcription TGA2, 5 et 6 TGA6 (At3g12250) TGA2 (At5g06950) TGA5 (At5g06960) duplication en tandem bloc dupliqué récent - les protéines TGA2, TGA5 et TGA6 sont partenaires de NPR1, Non- expressor of Pathogenesis-Related (PR) - le mutant npr1-1 et le triple mutant tga6-1 tga2-1 tga5-1, sont sensibles aux fortes concentrations en acide salicylique (SA) - induction de lexpression des gènes PR et résistance aux pathogènes des simples mutants nuls tga6-1, tga2-1 et tga5-1, et du double mutant tga2-1 tga5-1. Pas dinduction chez le triple mutant tga6-1 tga2-1 tga5-1 dont la SAR (systemic acquired resistance) est abolie.

22 Un exemple de redondance maintenue très longtemps, le facteur de transcription LEAFY (LFY) - développement floral - 2 paralogues LFYm et LFYf chez les conifères - 1 orthologue de LFYm chez les Angiospermes (et un pseudogène chez Nymphea) théorie « mostly male » - LFYm et LFYf complémentent le mutant nul lfy dA. thaliana Angiospermes Gymnospermes monophylétiques Gnétales Conifères Cycadales Ginkgo Lancêtre commun le plus récent des Angiospermes et des Gymnospermes aurait au moins 300 millions dannées. NB : la fleur bisexuée na pas plus de 130 millions dannées.

23 Perception de léthylène Deux familles de récepteurs :. I avec des résidus essentiels pour lactivité his kinase : ETR1, ERS1. II sans ces résidus : ETR2, EIN4, ERS2 - Pas de réponse à léthylène chez les simples mutants ponctuels etr1, etr2, ein4, ers1 et ers2. Ce sont des mutants dominants, insensibles à léthylène. - On a recherché des suppresseurs de ces mutants, présentant un phénotype sauvage, que ce soit en présence dair (allongement normal) ou déthylène (triple réponse : racine et hypocotyle courts et larges, courbure apicale exagérée) : etr1-5 (à 8), etr2-3 (et 4), ein4-4 (à 12), ers2-3, ers1-2. Mutants knock-out récessifs, réponse à léthylène, donc phénotype sauvage. Le knock-out de ces récepteurs nentraîne pas une absence de réponse à léthylène, mais au contraire la triple réponse. Il en va de même pour les double et triple mutants comme etr1-6 ein4-4, etr1-6 etr2-3, etr1-6 etr2-3 ein4-4.

24 - Seul le quadruple mutant etr1-6 etr2-3 ein4-4 ers2-3 (par ailleurs stérile et nain) retrouve la triple réponse en présence d éthylène. Le double mutant etr1-ers1, le seul qui présente une très forte réponse phénotypique (rosette miniature, fertilité réduite, morphologie florale), nest pas totalement compensé par la surexpression des récepteurs du groupe II. La famille I présente un rôle différent (interaction avec le domaine régulateur de CTR1). C2H4C2H4 ETR1 ERS1 ETR2 EIN4 ERS2 CTR1réponse There is a degree of functional redundancy between receptor isoforms Hua and Meyerowitz (1998).

25 Un exemple de fonctions recouvrantes Glabra 1 (GL1) et Werewolfe (WER) sont des facteurs de transcription de type MYB, et ne correspondent pas à des gènes dupliqués bHLHGL3 GL2 WER GL1 GL2 Pas de poils racinaires Trichomes TTG WD40 Protéine à homéodomaine WER et GL1 régulent GL2. La protéine Transparent Testa Glabra (TTG) accroît la production de trichomes à partir de lépiderme foliaire, et inhibe la formation de poils racinaires à partir de lépiderme racinaire. Épiderme racinaire Épiderme foliaire WER, exprimé dans les cellules épidermiques racinaires, réprime la production de poils racinaires dans certaines files de cellules GL1, exprimé dans les cellules épidermiques foliaires, permet la production de trichomes

26 Les constructions séquence régulatrice WER-protéine GL1 et celle séquence régulatrice GL1-protéine WER permettent, respectivement dans les mutants wer et gl1, de restaurer un phénotype sauvage (i.e. trichomes, pas de poils racinaires). Les protéines GL1 et WER sont interchangeables, mais cette équivalence ne sétend pas aux autres MYB-R2R3. Dans les deux cas les profils dexpression sont normaux. Ces résultats suggèrent que les différences dexpression observées entre WER et GL1 résultent de leurs séquences régulatrices. A partir dun gène MYB ancestral, les ancêtres des gènes WER et GL1 ont séparé leurs profils dexpression, de telle manière que chaque gène fils ne retienne quune partie de la fonction ancestrale : - spécification « épiderme foliaire » pour p-GL1 - spécification « épiderme racinaire » pour p-WER

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28 AGL1 = SHP1 AGL5 = SHP2 AGL11 = STK Agamous gènes de gymnospermes AGL12, 7, duplication récente Ma duplication ancienne 100 Ma AGL1, AGL5, Agamous et AGL11 appartiennent au même groupe monophylétique de gènes homéotiques (MADS box). Ce groupe a divergé depuis la séparation des ancêtres des Angiospermes et des Gymnospermes, il y a environ 300 Millions dannées Un exemple complexe de redondance

29 AG Agamous SHP1, 2 Shaterproof STK Seedstick Détermination florale Identité des étamines Identité des ovules Identité des carpelles Déhiscence du fruit Identité du funicule Abscission de la graine mutants shp1 et shp2, pas de phénotype mutant ag, ni carpelles, ni étamines, fonction C du modèle ABC mutant stk : les graines ne se détachent pas (fonction D modèle ABCD) Redondance AG-SHP pour le développement des carpelles, et redondance AG-STK-SHP pour lidentité « ovule » AG, SHPs, STK qui dérivent dun même gène ancestral (fonctions C et D), ont conservé des fonctions redondantes,tout en développant des fonctions nouvelles spécifiques

30 Dans le cas de la levure (S. cerevisiae), on observe lexistence dun recouvrement fonctionnel dans certains cas, mais la conservation de gènes dupliqués a également eu comme conséquence le fait quune des 2 copies se spécialise dans une nouvelle fonction. La présence dune seconde copie du gène confère une résistance accrue envers les mutations nulles (i.e. une amélioration de la valeur adaptative). Outre laccroissement de complexité dans lorganisation et la structure du génome, les conséquences fonctionnelles de la duplication sont diverses : - redondance fonctionnelle totale - redondance partielle, fonctions recouvrantes

31 USE IT OR LOOSE IT

32 Chez la levure donc, 5000 gènes dupliqués font 10000, mais 90% des dupliqués perdus font 5500 gènes actuels. En fait 457 gènes dupliqués : - La plupart de ces gènes dupliqués (321 paires) conservent la même fonction, et divergent peu, et 60 paires proviennent de conversion paires montrent une divergence forte des séquences protéiques (accelerated protein evolution) par comparaison avec K. waltii). Dans 95% des cas, une seule des 2 séquences évolue plus vite : 13 kinases, 8 protéines régulatrices……La protéine la plus divergente possède la nouvelle fonction,parfois très éloignée de lancienne : ainsi Sir3 (silencing des télomères,…) dérive de la fonction ancestrale de Orc1 (large sous unité du complexe de lorigine de réplication). La délétion du paralogue ancien est létale dans 18% des cas, jamais létale pour le paralogue dérivé. 32 séquences montrent une évolution accélérée des séquences nucléotidiques.

33 Chez Arabidopsis, 7% des gènes dupliqués sont significativement plus souvent dupliqués que la moyenne (kinases) ou moins souvent dupliqués (DNA repair) : - Ainsi, au lieu de 72% des gènes dupliqués récemment (24-40 Ma) éliminés, nous observons pour lensemble des kinases 33,3 % de gènes éliminés (17.9% pour les kinases qui ne sont ni de type raf ni de type récepteur kinase, 10% pour les raf, 21,3% pour les RLKs). - Les gènes dupliqués (polyploïdisation ou tandem) ont en moyenne : 1)Une plus longue séquence, 2) plus de domaines protéïques, 3) plus de régions cis-régulatrices, que les singletons. Les gènes complexes seraient plus souvent dupliqués que les autres, car plus « faciles » à subfonctionaliser. - La polyploïdisation et plus généralement la duplication de gènes, peut-elle conduire à la duplication dune voie de signalisation entière, à la duplication dun complexe ou dun module de signalisation ? La réponse est très probablement OUI.


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