Innovations génétiques: Implication de la duplication de gènes

I LE MECANISME DE DUPLICATION -1/3 des gènes de maïs moderne -90% des loci d’Arabidopsis thaliana -62% des loci du génome du riz -70 à 80% des espèces d’angiospermes Sun et al, 2001 Yuan et al 2002 Messing et al Blanc and Wolfe 2004

I LE MECANISME DE DUPLICATION Recombinaisons inégales Fu et al 2005 Flanking repeats Responsable de 30% des duplications récentes chez l’humain Zhou and Mishra 2005

I LE MECANISME DE DUPLICATION Break-induced replication Homologie

I LE MECANISME DE DUPLICATION Transposons Mu-like Hélitrons Jiang et al Juretic et al Lal et al Brunner et al Lai et al Lal and Hannah 2005 Morgante et al. 2005

I LE MECANISME DE DUPLICATION Conversion génique gl8a gl8b Dietrich et al Blanc and Wolfe 2004

I LE MECANISME DE DUPLICATION Réarrangements dans des régions génomiques instables (Koszul and ; Zhou and Mishra 2005) … Impossiblilité d’identifier clairement le mécanisme par lequel un NIP (Nearly identical Paralogs) a été généré, car il y a de multiples mécanismes impliqués!!!

II Implications évolutives ? Ohno ‘Evolution by Gene duplication’ 1970

II Implications évolutives ? Ohno ‘Evolution by Gene duplication’ 1970

II Implications évolutives ? Duplication-Degeneration-Complementation (DDC) model Hughes AL: The evolution of functionally novel proteins after gene duplication. 1994

II Implications évolutives ? Duplication-Degeneration-Complementation (DDC) model Hughes AL: The evolution of functionally novel proteins after gene duplication. 1994

Gene sharing II Implications évolutives ? Conflit adaptatif Une mutation ne peut améliorer une fonction qu’au détriment des autres  Duplication  Subfonctionnalisation  Sélection positive  2 gènes spécialisés optimaux Impossible avec le gène pléiotrope !

La voie du galactose chez la levure Kluyveromyces lactis Saccharomyces cerevisiae

La voie du galactose chez la levure Kluyveromyces lactis Saccharomyces cerevisiae Gal 1 Galactokinase Gal 3 Co-inducer KlacGal1 Protéine bifonctionnelle SA (Ser-Ala dipetide) Site actif dégénéré

Gal 1 Galactokinase Gal 3 Co-inducer Gal 80Gal 4 X1000 X3-5 Galactose Voie biochimique du galactose ATP La voie du galactose chez la levure

La fonction de galactokinase Gal1:

La voie du galactose chez la levure La fonction de galactokinase Gal1:

La voie du galactose chez la levure La fonction de galactokinase Gal1: Protéines mimant la délétion du dipeptide SA

La voie du galactose chez la levure La fonction de galactokinase Gal1: Dipeptide qui restaure la fonction kinase Vitesse enzymatique plus faible

La voie du galactose chez la levure La fonction de galactokinase Gal1: Toxicité due à la forte expression de l’hétéroprotéine

La voie du galactose chez la levure La fonction de co-inducter Gal3: Gal3 et Gal1:74% d’identité Gal3 et KlacGal1 : 58% Gal1 et KlacGal1 assez efficaces ~ 2 % / 3 % de baisse de fitness

La voie du galactose chez la levure La fonction de co-inducter Gal3: PGal1

La voie du galactose chez la levure Conclusions :  Dégénération de l’activité galactokinase de Gal3  La plus grande partie de la divergence fonctionnelle entre ces paralogues s’est effectuée au niveau des régulateurs  Source potentielle de conflit adaptatif ??

La voie du galactose chez la levure Échange des promoteurs :

La voie du galactose chez la levure Échange des promoteurs : Diminution de fitness

La voie du galactose chez la levure Échange des promoteurs : L’incapacité de Pgal3 à conduire à un niveau suffisant de galactokinase est due à un niveau d’expression plus faible d’ARNm quand il est pleinement induit

La voie du galactose chez la levure Échange des promoteurs : L’incapacité de Pgal3 à conduire à un niveau suffisant de galactokinase est due à un niveau d’expression plus faible d’ARNm quand il est pleinement induit PGal3 est moins efficacement réprimé en absence de galactose

La voie du galactose chez la levure Échange des promoteurs : Diminution de fitness

Gal 1 Galactokinase Gal 3 Co-inducer Gal 80Gal 4 X1000 X3-5 Galactose Voie biochimique du galactose ATP La voie du galactose chez la levure

Échange des promoteurs : Diminution de fitness L’expression basale est apparemment trop faible pour permettre une induction efficace de la voie métabolique quand les cellules se présentent avec du galactose

La voie du galactose chez la levure L’expression régulée de ces 2 paralogues semble presque totalement subdivisée entre :  un promoteur régulé faiblement fournissant l’expression basale nécessaire à l’induction de la voie métabolique,  un promoteur fortement régulé conduisant à un haut niveau d’expression d’enzyme lors de l’induction.

La voie du galactose chez la levure L’analyse de PKlacGal1 : Bonne fonction co-inducer

La voie du galactose chez la levure L’analyse de PKlacGal1 : Bonne fonction co-inducer En cas d’induction, l’expression d’ARNm pour la fonction kinase est 50% plus basse comparée à PGal1, réduisant la fitness d’environ 10%

Cela suggère que :  Pgal1 a acquit des mutations adaptatives qui lui permettent d’être plus induit en présence de galactose.  On peut donc se demander si Pklacgal1 qui sert de promoteur bifonctionnel conduisant à l’expression d’une protéine assurant 2 fonctions (une régulatrice, une enzymatique), ne permet pas l’optimisation de l’expression de chaque fonction. La voie du galactose chez la levure

Conflit adaptatif & phase des sites de liaison Positionnement des sites de liaisons sur les hélices, pour l’activateur transcriptionnel Gal4

La voie du galactose chez la levure Conflit adaptatif & phase des sites de liaison Positionnement des sites de liaisons sur les hélices, pour l’activateur transcriptionnel Gal4 Les dimères de Gal4 qui sont proches et du même côté de l’hélice se fixent coopérativement et sont plus efficacement inhibés par le co-represseur Gal80

La voie du galactose chez la levure Conflit adaptatif & phase des sites de liaison

La voie du galactose chez la levure Conflit adaptatif & phase des sites de liaison 27% 13%

La voie du galactose chez la levure Conflit adaptatif & phase des sites de liaison 27% 13% 2% 1%

La voie du galactose chez la levure Conflit adaptatif & phase des sites de liaison 1% Donc L’altération des sites de liaison cause des effets opposés sur la capacité du promoteur à assurer ses 2 fonctions distinctes.

La voie du galactose chez la levure Conflit adaptatif & phase des sites de liaison 1% Donc L’altération des sites de liaison cause des effets opposés sur la capacité du promoteur à assurer ses 2 fonctions distinctes. Ce résultat suggère qu’un conflit adaptatif a été résolu en subdivisant la régulation de la transcription de chacune des deux fonctions en 2 gènes spécialistes durant l’évolution de la lignée qui a donné S. cerervisiae.

La voie du galactose chez la levure Conflit adaptatif & phase des sites de liaison 1%

II Implications évolutives ? Résumé : Un génome diploïde peut contenir au plus, 2 allèles à un locus. Les duplications permettent  D’inclure plus de 2 allèles d’un gène donné à l’intérieur d’un génome  L’expression différentielle des membre d’une famille de paralogues  D’augmenter la plasticité du transcriptome.

II Implications évolutives ? Résumé : Un génome diploïde peut contenir au plus, 2 allèles à un locus. Les duplications permettent  D’inclure plus de 2 allèles d’un gène donné à l’intérieur d’un génome  L’expression différentielle des membre d’une famille de paralogues  D’augmenter la plasticité du transcriptome. Augmentation de « l’évovolvabilité »

Divergence spatiale et temporelle de l’expression des gènes Divergence spatiale et temporelle de l’expression des gènes III Duplications & Epissage alternatif Nouvelle fonction de gènes Ancien gène Redondance Augmentation de la diversité de transcrits Emergence de copies génomiques additionelles

III Duplications & Epissage alternatif CORRÉLATION INVERSE ENTRE TAILLE DE FAMILLE DES GÈNES ET PRODUCTION DE VARIANTS D’ÉPISSAGE ALTERNATIF. Nombre de paralogues Fraction with alternative splicing Les gènes de taille de famille =1 (« singletons ») utilisent plus souvent l’épissage alternatif que les gènes ayant subi des duplications Les familles de plus de 10 membres utilisent l’épissage alternatif environ moitié moins fréquemment que les singletons

III Duplications & Epissage alternatif CORRÉLATION INVERSE ENTRE TAILLE DE FAMILLE DES GÈNES ET PRODUCTION DE VARIANTS D’ÉPISSAGE ALTERNATIF. Souris FuguDrosophileLevure La corrélation négative s’accentue pour les duplications les plus récentes Le taux d'épissage alternatif de gènes dupliqués depuis la divergence avec la souris a été deux fois inférieure à celle des gènes qui n’ont pas été dupliqués

Les « singletons »: plus d’épissage alternatif que les gènes dupliqués. Epissage 50 fois plus fréquent que pour les familles a plus de 10 membres. (P<0.0001) CORRÉLATION INVERSE ENTRE TAILLE DE FAMILLE DES GÈNES ET PRODUCTION DE VARIANTS D’ÉPISSAGE ALTERNATIF.

L'existence de multiples copies de gènes retrotransposés pourraient apporter une contribution substantielle à la corrélation inverse entre duplications et épissage alternatif. De tels gènes avec des introns en moins pourraient apparaître par transcription inverse des ARNm et, par conséquent, conduire à un manque d’épissage alternatif. Pas de perturbation de la corrélation négative par l'exclusion de tous les gènes sans introns (~10%). CORRÉLATION INVERSE ENTRE TAILLE DE FAMILLE DES GÈNES ET PRODUCTION DE VARIANTS D’ÉPISSAGE ALTERNATIF.

-> HYPOTHESE: propriété de certaines familles de gènes à préférer la prolifération par duplication par rapport à l’épissage alternatif. Divisé par 3 CORRÉLATION INVERSE ENTRE TAILLE DE FAMILLE DES GÈNES ET PRODUCTION DE VARIANTS D’ÉPISSAGE ALTERNATIF.

Mais les singletons dans une espèce, dont les orthologues dans une autre espèce ont été dupliqués depuis la divergence, à un taux sensiblement plus élevé d'épissage alternatif que les orthologues dupliqués CORRÉLATION INVERSE ENTRE TAILLE DE FAMILLE DES GÈNES ET PRODUCTION DE VARIANTS D’ÉPISSAGE ALTERNATIF.

Mais les singletons dans une espèce, dont les orthologues dans une autre espèce ont été dupliqués depuis la divergence, à un taux sensiblement plus élevé d'épissage alternatif que les orthologues dupliqués  Le choix du mécanismes de prolifération n’est pas inhérent aux familles  Suggère plutôt que la prolifération est exercée indépendamment par l’un ou l'autre mécanisme. CORRÉLATION INVERSE ENTRE TAILLE DE FAMILLE DES GÈNES ET PRODUCTION DE VARIANTS D’ÉPISSAGE ALTERNATIF.

Soit les familles de gènes perdent des variants d’épissage, soit les « singletons » en acquièrent 2 modèles opposés sont compatibles avec ces résultats : CORRÉLATION INVERSE ENTRE TAILLE DE FAMILLE DES GÈNES ET PRODUCTION DE VARIANTS D’ÉPISSAGE ALTERNATIF.

HYPOTHESE: la perte de variants d’épissage prévaut -> gènes anciennement dupliqués avec un faible taux d’épissage alternatif. Mais : corrélation positive entre âge de duplication et fraction d’épissage alternatif. CORRÉLATION INVERSE ENTRE TAILLE DE FAMILLE DES GÈNES ET PRODUCTION DE VARIANTS D’ÉPISSAGE ALTERNATIF.

HYPOTHESE: la perte de variants d’épissage prévaut -> gènes anciennement dupliqués avec un faible taux d’épissage alternatif. Mais : corrélation positive entre âge de duplication et fraction d’épissage alternatif. CORRÉLATION INVERSE ENTRE TAILLE DE FAMILLE DES GÈNES ET PRODUCTION DE VARIANTS D’ÉPISSAGE ALTERNATIF. L'acquisition des variants d'épissage, plutôt que de la perte, serait une meilleure explication des résultats ?

III Duplications & Epissage alternatif  Notion de gain évolutif de variants d’épissage appuyée par l'observation que l’épissage alternatif évolue fréquemment à travers les duplications d'exons.  Cela donne à penser que l’acquisition de variants d’épissage est concomitante avec une augmentation du nombre d’exons.  En fait, les « singletons » ont considérablement plus d’exons que les gènes dupliqués.

III Duplications & Epissage alternatif Les duplications de gènes sont un des chemins évolutifs permettant l'émergence de nouvelles fonctions biologiques. Le fait que les singletons dont les orthologues ont été dupliqués, semblent être compensés avec des variants d'épissage, indique que la pression de prolifération précède les évènements de duplication.

III Duplications & Epissage alternatif  La duplication de gènes et les taux d’épissage alternatif ne sont pas évolutivement indépendants des propriétés d'un gène.  Cette idée est compatible avec la possibilté qu'un exon alternativement épissé puisse servir comme un «paralogue interne » d’un gène.  La corrélation inverse peut être expliquée par une réalisation équilibrée de l'exigence de la diversification, par l'intermédiaire d’un des deux mécanismes.  Cela justifie donc le rassemblement de la duplication de gènes et de l’épissage alternatif dans le même cadre de référence lors de l'analyse de l'évolution des tendances de l’augmentation de la complexité de gènes.

OUF!!!