Evolution des génomes de vertébrés depuis leur ancêtre craniate commun Matthieu Muffato Laboratoire Dyogen Ecole Normale Supérieure

Classification des vertébrés Cephalochordés (Amphioxus) Urochordés (Ciona intestinalis) Cambrian CRANIATES (-480 Ma) 500 Myxiniformes (Hagfish) Ordovician Chondrichthyes (requins,…) Osteichthyes (poissons osseux) Silurian 400 Paleozoic Devonian Sarcopterygiens Actinoptérygiens Tetrapodes Teleostéens Carboniferous Coelacanthimorpha Acipenseriformes (esturgeons,…) 300 Permian Percomorphes Triassic 200 Jurassic Oiseaux Mezozoic Cypriniformes Mammifères 100 Cretaceous Tetraodontiformes Cenozoic Gasterosteus aculeatus Mus musculus Homo sapiens Gallus gallus Tetraodon nigroviridis Takifugu rubripes Danio rerio

Principe de base: la Double Conserved Synteny Ancêtre commun duplication diploidisation Homo sapiens Tetraodon nigroviridis Double Conserved Synteny

Classification des vertébrés Cephalochordés (Amphioxus) Urochordés (Ciona intestinalis) Cambrian CRANIATES (-480 Ma) 500 Myxiniformes (Hagfish) Ordovician Chondrichthyes (requins,…) Osteichthyes (poissons osseux) Silurian 400 Paleozoic Devonian Sarcopterygiens Actinoptérygiens Tetrapodes Carboniferous Coelacanthimorpha Teleostéens Acipenseriformes (esturgeons,…) 300 Duplication ? Permian Percomorphes Triassic 200 Jurassic Oiseaux Mezozoic Cypriniformes Mammifères 100 Cretaceous Tetraodontiformes Cenozoic Gasterosteus aculeatus Mus musculus Homo sapiens Gallus gallus Tetraodon nigroviridis Takifugu rubripes Danio rerio

Distribution des 748 gènes dupliqués de Tetraodon

Distribution des blocs de synténie dédoublée (DCS) dans le génome humain

Evolution du génome pré-duplication chez Tetraodon Jaillon et al. (2004) Nature 431:946-957

Reconstruction Automatique : étape 1/3 719 paires de gènes paralogues (source: Ensembl) définissent 25 paires de chromosomes dupliqués (seuil > 5 paralogues) Duplication Diploïdisation

Reconstruction Automatique : étape 1/3 Les gènes orthologues poulet - Tetraodon permettent de distinguer entre les cassures et les fusions des duplicats originaux qui se sont produites au cours de l’évolution du génome de Tetraodon paralogues orthologues Cassure chez Tetraodon Poulet Fusion chez Tetraodon Poulet

Exemple de fusion de chromosomes pré-duplication 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 24 28 W 23 26 32 Z 5 13 19 Chromosomes poulets 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Chromosomes de Tetraodon

Reconstruction Automatique : étape 1/3 orthologues paralogues Cassure chez Tetraodon Poulet Fusion chez Tetraodon Poulet

Reconstruction Automatique : étape 2/3 On dispose les gènes orthologues sous forme de matrice ... Les synténies dédoublées (DCS) assignent une paire de gènes poulet - Tetraodon orthologues à un chromosome ancestral. ? chr. 5 chr. 10 chr. 14

Reconstruction Automatique : étape 2/3  ? chr. 5 chr. 10 chr. 14 ? orthologues La convergence entre la distribution des gènes orthologues (Tetraodon - Poulet) et des gènes paralogues (Tetraodon - Tetraodon) permet d’identifier un grand nombre de translocations dans le génome Tetraodon. paralogues

Résultat des étapes 1 et 2 Génome ancestral des vertébrés 3 4 5 6 7 8 11 9 10 12 13 14 15 16 18 19 17 20 21 Gallus gallus 22 23 24 26 27 28 32 Z A B C D E F G H K I J L M N Génome ancestral des téléostes 1 2 3 4 5 6 7 8 11 9 10 12 13 14 15 16 18 19 17 20 21 Tetraodon nigroviridis

Classification des vertébrés Cephalochordés (Amphioxus) Urochordés (Ciona intestinalis) Cambrian CRANIATES (-480 Ma) 500 Myxiniformes (Hagfish) Ordovician Chondrichthyes (requins,…) Silurian Osteichthyes (poissons osseux) 400 Paleozoic Devonian Sarcopterygiens Actinoptérygiens Tetrapodes Carboniferous Coelacanthimorpha Teleostéens Acipenseriformes (esturgeons,…) Duplication  300 Permian Percomorphes Triassic 200 Jurassic Oiseaux Mezozoic Cypriniformes Mammifères 100 Cretaceous Tetraodontiformes Cenozoic Gasterosteus aculeatus Mus musculus Homo sapiens Gallus gallus Tetraodon nigroviridis Takifugu rubripes Danio rerio

Reconstruction Automatique : étape 3/3 Généralisation et intégration de 6 génomes de vertébrés 2. Etude des gènes orthologues entre le Poulet et Tetraodon 2. Etude des gènes orthologues entre l’Homme et Tetraodon 2. Etude des gènes orthologues entre le Chien et Tetraodon 1. Etude des gènes paralogues l’épinoche 2. Etude des gènes orthologues entre l’Homme et Tetraodon 2. Etude des gènes orthologues entre le Chien et Tetraodon 1. Etude des gènes paralogues de Tetraodon 2. Etude des gènes orthologues entre le Poulet et Tetraodon Homme Souris Poulet Tetraodon Epinoche Intégration des comparaisons via les orthologues Définition de 12241 gènes ancestraux de vertébrés

Classification des vertébrés Cephalochordés (Amphioxus) Urochordés (Ciona intestinalis) Cambrian CRANIATES (-480 Ma) 500 Myxiniformes (Hagfish) Ordovician Chondrichthyes (requins,…) Silurian Osteichthyes (poissons osseux) 400 Paleozoic Devonian Sarcopterygiens Actinoptérygiens Tetrapodes Carboniferous Coelacanthimorpha Teleostéens Acipenseriformes (esturgeons,…) ? Ancêtre des amniotes Duplication  300 Permian Percomorphes Triassic 200 Jurassic Oiseaux Mezozoic Cypriniformes Mammifères 100 Cretaceous Tetraodontiformes Cenozoic Mus musculus Homo sapiens Gallus gallus Gasterosteus aculeatus Tetraodon nigroviridis Takifugu rubripes Danio rerio

Reconstruction du génome ancestral des amniotes ? Génome ancestral des amniotes A B C D E F G H I J K L M N Génome ancestral des téléostes Homo sapiens Gallus gallus Gasterosteus aculeatus Tetraodon nigroviridis

Reconstruction du génome ancestral des amniotes B B' B Gènes orthologues Scénario 1 1 5 9 2 14 3 Homo sapiens Gallus gallus Scénario 2 1 5 9 2 14 3 Homo sapiens Gallus gallus

Reconstruction d’un ordre de gènes ancestral Pour un chromosome donné, on construit le graphe des distances inter-gènes moyennes Le but est de trouver le meilleur consensus i.e. la suite de gènes qui minimise la somme des distances inter-gènes Problème du Voyageur de Commerce (Traveling Salesman Problem) Solution: « Concorde » (Branch & Cut)

Classification des vertébrés Cephalochordés (Amphioxus) Urochordés (Ciona intestinalis) Cambrian CRANIATES (-480 Ma) 500 2 duplications complètes du génomes Myxiniformes (Hagfish) Ordovician Chondrichthyes (requins,…) Silurian Osteichthyes (poissons osseux) 400 Paleozoic Devonian Sarcopterygiens Actinoptérygiens Tetrapodes Carboniferous Coelacanthimorpha Teleostéens Acipenseriformes (esturgeons,…) Duplication  300 Permian Percomorphes Triassic 200 Jurassic Oiseaux Mezozoic Cypriniformes Mammifères 100 Cretaceous Tetraodontiformes Cenozoic Mus musculus Homo sapiens Gallus gallus Gasterosteus aculeatus Tetraodon nigroviridis Takifugu rubripes Danio rerio

L’hypothèse des « 2R » « It is likely that the first vertebrate to emerge on this earth [had a genome] which was probably derived from a primitive chordate by tetraploidization » S. Ohno et al. (1968) Heredity 59(1):169-187 Susumu Ohno 1928-2002 « An ancient crossopterygian fish, which served as direct ancestor of mammals, already attained the characteristic DNA content [of mammals] by a second tetraploidisation before coming on land to live» S. Ohno et al. (1968) Heredity 59(1):169-187 « Yet it is our contention that either at the fish stage or at the amphibian stage, the mammalian ancestor went through at least one tetraploid evolution» S. Ohno. (1970) Evolution by Gene Duplication p. 102. Springer-Verlag Ed. New-York Inc.

Paralogues ancestraux Relations de paralogie attendues entre les chromosomes après 2 duplications successives 2ième duplication 1ère duplication

Reconstruction de paralogues ancestraux Homme 1 Souris 1 Poulet 1 Tetraodon 1 Epinoche 1 Gene ancestral vertébré 1 1. Travail de Dehal P, Boore JL Joint Genome Institute 2. TreePattern & FamFetch Pôle Bioinformatique Lyonnais 3. Ensembl 2080 familles de paralogues Drosophile paralogues Homme 2 Souris 2 Poulet 2 Tetraodon 2 Epinoche 2 Gene ancestral vertébré 2

Distribution des paralogues ancestraux 2080 paires de paralogues sur le génome ancestral des amniotes

Identification des chromosomes dupliqués 2R Si la distribution des paralogues était uniforme, quelle serait la probabilité d’avoir le nombre de paralogues observés entre deux chromosomes donnés? On recherche un ensemble de chromosomes reliés par de faibles P-values P-values < 10-5

Identification des chromosomes dupliqués 2R K N S T Y Z K N T S Y Z

Chromosomes ancestraux des craniates      

Classification des vertébrés Cephalochordés (Amphioxus) Urochordés (Ciona intestinalis) Cambrian 500 CRANIATES (-480 Ma) Myxiniformes (Hagfish) Ordovician Chondrichthyes (requins,…) Silurian Osteichthyes (poissons osseux) 400 Paleozoic Devonian Sarcopterygiens Actinoptérygiens Tetrapodes Carboniferous Coelacanthimorpha Teleostéens Acipenseriformes (esturgeons,…) Duplication  300 Permian Percomorphes Triassic 200 Jurassic Oiseaux Mezozoic Cypriniformes Mammifères 100 Cretaceous Tetraodontiformes Cenozoic Mus musculus Homo sapiens Gallus gallus Gasterosteus aculeatus Tetraodon nigroviridis Takifugu rubripes Danio rerio

Clusters de gènes humains en 4 exemplaires Génome humain (présent) Génome ancestral amniote (-310 millions d’années) Génome ancestral craniate (-550 millions d’années) a b p q       Les 4 clusters HOX l o r v Les 4 clusters MHC       r b c d Les 4 régions sous empreinte parentale (Paulsen et al. 2005. Genome Research)      

Génome Ancestral des téléostes Génome Ancesral Craniate Résumé de la démarche Extraction des groupes de paralogues Intégration des cassures et des fusions Intégration des translocations Génome Ancestral des téléostes Construction du génome ancestral amniotes Distribution des paralogues issus des « 2R » sur le génome ancestral amniote Définition des chromosomes craniates grâce aux p-values Génome Ancesral Craniate

O. Jaillon, J-M. Aury, J. Weissenbach et coll. Genoscope http://www.biologie.ens.fr/dyogen Matthieu Muffato Hugues Roest Crollius Collaborateurs: O. Jaillon, J-M. Aury, J. Weissenbach et coll. Genoscope Le groupe Ensembl www.ensembl.org M. Robinson Rechavi, R. Studer, Université de Lausanne