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Master SDVS - Mention Biologie Santé UE : Analyse génomique et génétique chez les organismes eucaryotes UE : Analyse génomique et génétique chez les organismes.

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1 Master SDVS - Mention Biologie Santé UE : Analyse génomique et génétique chez les organismes eucaryotes UE : Analyse génomique et génétique chez les organismes eucaryotes Architecture génétique des caractères quantitatifs - cartographie génétique et détection de QTL - Pierre-François Bert )

2 Définitions * Locus (pl: locus; loci en anglais) : Un locus définit l'emplacement d'un allèle ou d'un gène sur un chromosome ou la carte le représentant. * Allèle : on nomme allèle une variante donnée dun locus (nucléotide ou par extension gène) au sein d'une espèce. * Polymorphisme : Les mutations modifient la séquence nucléotidique de la molécule d'ADN. Pour de nombreux locus (gènes ou marqueurs génétiques), il existe plusieurs allèles répandus dans les populations constituant l'espèce : c'est le polymorphisme génique ou polyallélisme. * Une carte génétique est un alignement linéaire de la position relative de locus (gènes et marqueurs génétiques) sur un chromosome et les distances entre eux, basé sur les fréquences de recombinaison. I - Introduction

3 Définitions * Un locus à effets quantitatifs ou de caractère quantitatif (abrégé en QTL pour quantitative trait locus) est un locus où la variation allélique est associée à la variation dun caractère quantitatif (= caractère polygénique). * Génotype : ensemble des gènes dun individu. * Phénotype : caractéristiques d'un individu dans un milieu donné. -> Résultat du dialogue génotype - milieu * Milieu : Ensemble des causes non génétiques de la variation (contrôlés = macro milieu et non contrôlés = micro milieu) * Pléiotropie : Un simple allèle peut induire plusieurs effets phénotypiques apparemment indépendants. * Epistasie : phénomène au cours duquel un gène altère l'effet d'un autre. I - Introduction

4 Pourquoi sintéresse-t-on aux variations génétiques ? -> Peuvent servir pour lidentification génétique par empreintes génétiques (identification, sélection, traçabilité …) -> Peuvent servir pour décrire les caractéristiques génétiques dune population (Niveau de diversité, Structure de la diversité, Flux de gènes, Sélection…) -> Peuvent servir à la gestion des ressources génétiques -> Peuvent être à lorigine de la variation phénotypique de caractères dintérêts agronomiques, de maladies génétiques simples ou complexes I - Introduction

5 Caractères qualitatifs : sexe, état matrimonial, niveau d'instruction, nationalité, profession, statut juridique de l'activité, commune (du lieu) de résidence, département (du lieu) de naissance,… Les modalités de caractères qualitatifs sont des mots masculin, célibataire, CAP, français, mécanicien automobile, salarié, Strasbourg, Bas-Rhin, … Caractères quantitatifs : âge au décès, nombre d'enfants, rang de naissance, revenu mensuel en Francs, ancienneté du logement, … Les modalités de caractères quantitatifs sont des nombres 75 ans révolus, 5 enfants, 3ème enfant, 8500 francs, 32 ans I - Introduction Distinction entre les caractères dits "quantitatifs" et les caractères "qualitatifs"

6 Variations discrètes : Nombre fini de modalités différentes souvent faible Ex : Groupe sanguin ABO Aspect lisse ou ridé des grains Couleur de pelage animal, de pétales de fleurs Résistance à des maladies Caractère qualitatif quand regroupement en classes génotypiques Relation phénotype/génotype simple Effet allélique : phénotype "sauvage"/phénotype "mutant" (cf. Lois de Mendel) I - Introduction Distinction entre les caractères dits "quantitatifs" et les caractères "qualitatifs".

7 Variations continues : Répartition continue dans une gamme de valeurs (mesures) Ex : Taille, poids, Diabète de type 2 Pression sanguine Quantité de lait produit Résistance à des maladies Caractère dit quantitatif quand risques derreur de classification Relation phénotype/génotype ambiguë La génétique quantitative rend compte de lhérédité de ces caractères I - Introduction Distinction entre les caractères dits "quantitatifs" et les caractères "qualitatifs"

8 GENETIQUE QUANTITATIVE La Plupart des caractères dintérêt agronomique sont quantitatifs La génétique quantitative traite avec les phénotypes et fait la déduction des bases génétiques sous-jacentes Étudie des bases génétiques (hérédité) de la variation des caractères quantitatifs Bases génétiques de la variation continue I - Introduction

9 Bases génétiques de la variation continue

10 …… taille nombre Taille de étudiants. Source : Castel, > Distribution continue -> Distribution normale -> transformation mathématique I - Introduction 5 classes18 classes Valeurs individuelles Bases génétiques de la variation continue

11 I - Introduction Bases génétiques de la variation continue La distribution de la variation suit une loi normale

12 n P1 Sx = 1.5 P2 Sx = 2.2 Individus P1, P2 et F1 génétiquement Identiques Variance dorigine environnementale Variance en F2 évoque une ségrégation de plusieurs gènes Ségrégation à plusieurs locus F1 Sx = n 0 F2 Sx = n Longueur de la corolle de N. langiflora – East 1915) mm n Résultats théoriques attendus pour un polymorphisme à 1 seul locus ( ¼ P1; ½ F1; ¼ P2) II- Mise en évidence des facteurs de la variation génétique

13 Taux de survie à une dose de DDT chez la drosophile. Les individus observés comportent diverses combinaisons de chromosomes, décrites pour les chromosomes X, 2 et 3, respectivement : Source : Crow, > Les locus responsables des variations des caractères quantitatifs ont des effets qui se cumulent. c = chromosome originaire de la lignée de contrôle s = chromosome originaire de la lignée sélectionnée pour la résistance au DDT. II- Mise en évidence des facteurs de la variation génétique

14 -> Lexistence dun gène majeur nexclut pas celle dautres gènes induisant des variations pour le caractère étudié. Poids à 60 jours (en g) de 50 souris mâles issues dune lignée sélectionnée pour de faibles poids. Source : King, II- Mise en évidence des facteurs de la variation génétique

15 * Nombre de génotypes différents pour 1 locus et K allèles * Nombre de génotypes différents pour L locus et K allèles Nombre de génotypes possibles selon les nombres de locus et dallèles par locus. II- Mise en évidence des facteurs de la variation génétique

16 La valeur dun génotype est la somme des valeurs apportées par chaque allèle. A chaque locus, 2 allèles de même fréquence, lun apportant une valeur nulle et lautre une valeur de 1 : la valeur des génotypes va donc de 0 (homozygotes « 0 » à tous les locus) à 2 fois le nombre de locus (homozygotes « 1 » à tous les locus). On ne considère pas ici deffet de milieu. Distribution des valeurs selon le nombre de locus II- Mise en évidence des facteurs de la variation génétique

17 Ces facteurs peuvent alors être traités comme des locus génétique simple cest à dire des QTL n P1 Sx = 1.5 P2 Sx = n F1 Sx = n F2 Sx = 6.4 mm Transgressifs et des effets du milieu contribuant à la variation. 1. Influence de plusieurs locus en ségrégation Pas d'entorses à la génétique mendélienne en supposant Fréquences génotypiques Valeurs phénotypiques Fréquences génotypiques Valeurs phénotypiques 1 gène2 gènes 4 gènes6 gènes II- Mise en évidence des facteurs de la variation génétique

18 + effets non génétiques 2 locus 4 locus plusieurs locus 1 locus 1:2:1 II - Mise en évidence des facteurs de variation génétique L hypothèse multifactorielle "les variations observées des caractères quantitatifs sont imputables aux ségrégations à plusieurs locus et aux facteurs du milieu". Hypothèse multifactorielle concilie la nature discontinue de lhérédité mendélienne et la continuité des caractères quantitatifs et la normalité de leur distribution.

19 Laction du génotype et du micro-milieu III - Mise en évidence des facteurs de la variation liés au milieu Le phénotype présente une distribution continue… sous entends leffet sur le caractère de nombreux gènes et de facteurs de lenvironnement P = G + E + G×E Le milieu - environnement (climat, traitements, alimentation...) - état physiologique (poids, age, grossesse...) - observateur (protocole, précision, erreurs...) * Facteurs de milieu : - macro milieu (contrôlé) fortes variations sur l'ensemble des individus (engrais, traitement pharmaco, lieu de test... ) - micro milieu (non contrôlé) faibles variations entre les individus (micro hétérogénéité du sol, fertilité... ).

20 Héritabilité Lhéritabilité au sens large est donc une proportion : cest la part de variance phénotypique qui est dorigine génétique. Action du micro-milieu III - Mise en évidence des facteurs de la variation liés au milieu

21 1 G1 G3 2 G2 P Valeur phénotypique milieu31 G1 G3 2 G2 P Valeur phénotypique milieu3 1 G1 G3 2 G2 P Valeur phénotypique milieu 31 G1 G3 2 G2 P Valeur phénotypique milieu 3 Absence deffet milieuAdditivité des effets milieux et génotypes Interaction G x E avec effet déchelle Interaction G x E modification des classements Variations importantes sur les caractères Conséquences pour lamélioration des espèces domestiques : -> Quel est le meilleur génotype dans un milieu donné ? -> Dans quel milieu pratiquer la sélection ? Interactions génotype x milieu III - Mise en évidence des facteurs de la variation liés au milieu

22 Années 1920: Fisher et Wright naissance de la génétique quantitative : branche statistique de la génétique basée sur les principes fondamentaux de Mendel. "Existence dun grand nombre de gènes à effets faibles" Années 50: Premières applications pratiques Années 60 et 70: Développement sur pedigree complexes Années 1980: La cartographie des QTL a pu devenir une réalité principalement grâce à la disponibilité de marqueurs moléculaires et de linformatique. Années 1990: Mort de la génétique quantitative ? En fait lidée simple que ces caractères étaient contrôlés par un nombre infini de gènes à effet faible et cumulatif est abandonnée. IV - Mise en évidence des QTL

23 280 mg560 mg Colored seed coat Uncolored see coat qualitative trait : seed coat color quantitative trait : mean weight of the seeds F1 hybrid with colored seed cot VARIETY A VARIETY B selfing mean weight (mg) frequency in the F2 1/4 3/4 colored uncolored La première expérience de détection de QTL: SAX (1923) IV - Mise en évidence des QTL

24 locus C pourpre QTL weight chromosome QTL = Quantitative Trait Locus Gelderman, 1975 « locus controling part of the phenotypic variation of a quantitative traits» QUANTITATIVE QUALITATIVE IV - Mise en évidence des QTL Payne (1918) : chromosome X in drosophila contains genetic factors controlling bristle number. Lindstrom (1924) : linkage between a locus controling tomato fruit color and a genetic factor controling fruit size. Smith (1937) : color of the flower and size of the corolla in tobacco

25 Rappel : Quest ce quun QTL? Un QTL (quantitative trait locus) est un locus génétique qui affecte un caractère qui est mesuré sur une échelle quantitative. Les caractères quantitatifs sont typiquement affectés par plus dun gène et aussi par lenvironnement. Les QTL correspondent à des segments plus ou moins grands qui peuvent contenir plusieurs gènes. IV - Mise en évidence des QTL

26 Il y a-t-il une association entre le génotype au marqueur et le phénotype du caractère quantitatif ? V - Principes et méthodes de détection de QTL La mise en évidence et la localisation des QTL se fait par rapport à des marqueurs génétiques (moléculaires): on relie le polymorphisme des marqueurs aux variations dun caractère quantitatif à travers une descendance en ségrégation de parents de génotype connu. si co-ségrégation entre les allèles à certains marqueurs et les valeurs observées pour le caractère quantitatif détermination de locus dont le polymorphisme induit des variations sur le caractère étudié (des QTL)

27 Et dans la pratique ? V - Principes et méthodes de détection de QTL Pour chaque individu de la descendance il faut :. déterminer le génotype dun ensemble de marqueur distribués sur le génome cf. cartographie génétique. mesurer la valeur du caractère quantitatif étudié pour chaque individu Morphologic markersMolecular markers Individuals number performance Mesures du caractère

28 V - Principes et méthodes de détection de QTL 1 2 …...n indiv12…n M1011 M2101 M3011 M4011 Carac tère 3,74,13,94,2 Matrice de données Il faut rechercher par méthodes statistique les locus marqueurs dont le génotype est corrélé au caractère et estimer les paramètres génétiques de laction des QTL détectés. Ceci -> soit en analyse marqueur par marqueur -> soit en prenant en compte conjointement 2 ou plusieurs marqueurs Et dans la pratique ?

29 a a a A a A A a A AA a QTL1 QTL2 F1F1 F2F2 Analyse sur simple marqueur Tri des individus pour leur génotype (aa; aA; AA) au QTL Si différence significative entre moyennes phénotypiques observées Effets des 2 allèles au QTL sont suffisamment différents pour avoir des conséquences détectables. V - Principes et méthodes de détection de QTL

30 Une corrélation entre la dose dallèles M2 et la valeur du caractère indique lexistence dun QTL du caractère au voisinage du marqueur Analyse sur simple marqueur Comparaison des moyennes phénotypiques entre les classes génotypiques un QTL Relation entre le polymorphisme de chaque locus marqueur et la valeur du caractère quantitatif considéré chez les descendants de parents de génotype connu (ici F 2 ) Pas de QTL M1M1M1M1 M1M2M1M2 M2M2M2M2 V - Principes et méthodes de détection de QTL

31 Analyse sur simple marqueur Analyse de variance (ANOVA) ou test de Student Relation entre le génotype de chaque locus marqueur et la valeur du caractère quantitatif considéré Classifie la descendance par marqueur génotypique Compare les moyennes phénotypiques entre classes alléliques (test t ou test F) Test significatif = marqueur lié au QTL Différence entre les moyennes = estimation de leffet du QTL Conditions dapplication dune ANOVA : Normalité intra-classe et homogénéité des variances V - Principes et méthodes de détection de QTL

32 aaaAAA Mise en évidence des liaisons marqueur / QTL Le test de liaison consiste à savoir si les moyennes des 3 classes sont différentes entre elles. Si différences significatives le locus affecte le caractère quantitatif : il y a un QTL. La détection dépend : -> de lampleur des différences entre moyennes de classes -> de la variation intra-classe qui dépend - de leffet du milieu - de leffectif par classe - de la variation due aux autres locus intervenant Les individus dun même génotype marqueur suivent une loi normale V - Principes et méthodes de détection de QTL

33 Analyse sur simple marqueur si la valeur F obs > F théo H o rejetée "effet significatif du facteur génotype au marqueur" Présence dun QTL * Nombre de classes génotypiques du marqueur : - 3 classes en F 2 - marqueur codominant ANOVA Classes en BC, HD, RIL ou F 2 - dominant Test t Source de variationddlCMF Variation totale = SCE T N – 1CM T = SCE T / N – 1 Variation inter (liée au facteur génotype) = SCE F r – 1 CM F = SCE F / r – 1 F obs = CM F / CM R Variation intra = résiduelle = SCE R N – rCM R = SCE R / N - r (r – 1)(N – r) V - Principes et méthodes de détection de QTL

34 Avantages et inconvénients de lanalyse sur marqueur unique Avantages : Ne nécessite pas de carte de liaison génétique Utilise des programmes statistiques simples (Excel, SAS…) Méthode "robuste" aux écarts à la normalité Inconvénients : Si 1 QTL nest pas localisé exactement au marqueur alors entre moyennes SCE F R² A lintérieur de chaque catégorie de marqueur, il y a toujours une forte proportion de variance – sans cette variance leffet des QTL serait mieux estimé Une part de cette variance peut résulter de leffet dautres QTL qui ségrègent dans dautres régions du génome V - Principes et méthodes de détection de QTL

35 nécessite une carte génétique Cartographie d'intervalle : - "Simple Interval mapping ou SIM Méthode des LOD score et de régression linéaire - "Composite interval mapping ou CIM" Méthode des LOD score et de régression linéaire faisant intervenir des co facteurs Méthode danalyse multi locus V - Principes et méthodes de détection de QTL

36 La cartographie dintervalle simple (Simple Interval Mapping) La cartographie dintervalle est similaire en forme à lanalyse sur lassociation à un seul locus, le locus cible est remplacé par une position dans un intervalle cible Basée sur lhypothèse quil au + 1 QTL dans lintervalle entre les 2 marqueurs G et D liés avec un taux de recombinaison r. Leffet attendu dun QTL hypothétique à cette position est estimée à partir des génotypes aux locus marqueurs flanquant lintervalle. GD R R1R2Q Modèle dIntervalle Mapping V - Principes et méthodes de détection de QTL

37 La méthode du LOD score (Lander et Botstein, 1989) Calcule en chaque position du groupe de liaison, sur une fenêtre de n cM, le logarithme décimal du rapport de vraisemblance LOD = log 10 = où µ, a, d et ² représentent les estimations des paramètres de moyenne, dadditivité, de dominance et de variance * LOD seuil = correction de la valeur du risque α en fonction du nombre dintervalles entre deux marqueurs (M), suivant la relation α=1-(1-α) 1/M * I.C = LOD max - 1 L (µ, 0, 0, ²) ^^ L (µ, a, d, ²) ^^^^ ^ ^ fonction de vraisemblance sous lhypothèse de présence dun QTL fonction de vraisemblance sous lhypothèse dabsence de QTL (où a et d sont nulles) V - Principes et méthodes de détection de QTL

38 Courbe de LOD en fonction de la position sur le groupe de liaison I.C de position du QTL = 15cMIntervalle de confiance = LOD max - 1 V - Principes et méthodes de détection de QTL

39 La cartographie dintervalle composite (Composite Interval Mapping) Cofacteur : - marqueurs du génome - QTL préalablement détectés Permet de contrôler le bruit de fond (genetic background) Réduit la probabilité de détecter des QTL fantôme V - Principes et méthodes de détection de QTL

40 La méthode de régression linéaire (Haley et Knott, 1992) À chaque position dans un intervalle donné, la meilleure estimation est celle qui minimise le CM R Présence dun QTL testée par:F(x) = CM Q / CM R F(x) = loi Fisher F (1, N-2) ; N nb dindividus. CM Q Carré moyen associé à leffet du marqueur (1 ddl). CM R Carré moyen résiduel (N – 2 ddl) Équivalente en terme de puissance / méthode EMV Estimation des paramètres du modèle par la méthode des moindres carrés : V - Principes et méthodes de détection de QTL

41 Paramètres influençant la détection des QTL * Choix des parents pour la population - Distance génétique si distance détection des QTL à effets faibles * Taille de la population analysée si N, puissance de test (QTL à effets faibles détectables) I.C. sur la position du QTL * Nombre de marqueurs si distance moyenne entre 2 marqueurs est faible (<10cM) I.C. du QTL * Précision de lexpérimentation = part de la variabilité phénotypique dorigine génétique h² SL = ² g / ² p -> si h² SL QTL à effets faibles détectables V - Principes et méthodes de détection de QTL

42 Mesure de leffet dun QTL Chaque QTL en ségrégation contribue à une part de la variation phénotypique totale Part de la variation expliquée quantifiée par le R² R² = SCE F / SCE T = SCE F / (SCE F + SCE R ) Ex : si R² = % de la variation phénotypique due au QTL Rq : * si marqueur non lié strictement au QTL La entre moyennes La SCE F (variation due au génotype au marqueur) Le R² VI - Paramètres définissant laction dun QTL

43 Effet allélique I. La dominance: Détectée dans les populations F2 et Calculée par: Heterozygous – [(P1+P2)/2] Une valeur positive reflète une valeur des hétérozygotes qui dépasse la valeur moyenne des parents Une valeur négative reflète une valeur des hétérozygotes qui est inférieure à la valeur moyenne des parents II. Ladditivité : effet des homozygotes Calculée par : (Homozygotes P1 – Homozygotes P2)/2 Un effet positif reflète une augmentation de la valeur du caractère de lhomozygote P1 Un effet négatif reflète une augmentation de la valeur du caractère de lhomozygote P2 Signe de a allèle favorable VI - Paramètres définissant laction dun QTL

44 01 Valeur du caractère Génotype (dose dallèle M2) m 22 m 11 + m 22 2 m 11 a 2 01 m 22 m 11 + m 22 2 m 11 d a 2 01 m 22 m 11 + m 22 2 m 11 d a 2 01 m 22 m 11 + m 22 2 m 11 d a 2 superdominance |d/a| > 0 dominance partielle 0 1 additivité |d/a| = 0 dominance complète |d/a| = 1 Effet additif a et degré de dominance d M1M1M1M2M2M2 M1M1M1M2M2M2 M1M1M1M2M2M2M1M1M1M2M2M2 VI - Paramètres définissant laction dun QTL

45 Comment décrire un QTL ? Trait QTL Interval Chr Length a Position b Alleliceffect c LOD d R 2 (%) e RRL QAlRr1.1 RG406-RZ (O) QAlRr3.1 CDO1395-RG (O) QAlRr7.1 RZ629-RG (O) QalRr8.1 RG28-RM (O) QAlRr9.1 RM201-WALI (O) R² total 70.8 VI - Paramètres définissant laction dun QTL

46 Distribution du nombre de QTL détectés dans un croisement Kearsey et Farquhar, combinaisons expérience/caractère 4 QTL détectés en moyenne dans un croisement pour un caractère Le nombre de QTL que lon peut détecter dans une population est limité par la taille de la population puissance de détection VI - Caractéristiques sur les analyses QTL

47 Distribution des effets des QTL Kearsey et Farquhar, 1998 Du fait des variations environnementales et de léchantillonnage dun nombre fini dindividus par population : Les QTL de faible effet ne sont pas détectés Les effets des QTL détectés sont surestimés VI - Caractéristiques sur les analyses QTL

48 Quelques logiciels disponibles pour lanalyse de QTL

49 Application de lutilisation des marqueurs en génétique quantitative: SELECTION ASSISTEE PAR MARQUEURS Construction de génotypes Prédiction de la valeur damélioration

50 Association entre les allèles aux marqueurs et les variation du caractère Nombre dindividus performance …...n indiv12…n M1011 M2101 M3011 M4011 Mn 0 1 Marker allele Marker allele Yes 0 1 No Recherche de QTL impliqués dans la hauteur

51 5 Hauteur 1 6 Hauteur 2 Hauteur 3 7 Hauteur 4 8 Hauteur 5 Cartographie de QTL impliqués dans la hauteur

52 Micro- densitometrie Propriétés physiques + papetières rigidimètre MOE Angle du fil du bois Composition chimique NIRS Protocole AFOCEL Branchaison Dissection de la variable étudiée en ses composantes

53 11 10 CW9L STD.D RW5.9 9 LD4E CW9L coarceness Zero span HI LD4L CW9L CW9E MFA9L CW4L LD4E Zero span LD9L F length coarceness Curve index STD.D Rw10.14 HI8993

54 functional CG :lignin biosynthesis genes

55 Co-localisation candidate genes / QTL CCR and PAL on E. urophylla linkage group n° Genetic Distance (cM) LOD score PAL+CCR- Score threshold Lignin contents S / G ratio

56 La sélection assistée par marqueurs


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