Définition

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

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

Evolution des Génomes

Les génomes ne sont pas statiques

Mécanismes produisant des différences quantitatives :deux forces opposées

Augmentation du nombre de gènes

1. Création interne de novo• Duplication de gènes, de fragments chromosomiques ou de

génomes complets (polyploidie) 2. Apport extérieur

• Transfert horizontal

Pertes de gènes

1. Elimination des gènes « non nécessaires »• Adaptation à un nouveau mode de vie• Processus naturel de régulation des Génomes

Evolution des Génomes

Deux grandes approches nécessaires et complémentaires

Etude de l’évolution de chacun des gènes d’un génome

Basé sur le concept d’homologieAnalyse des évènements de duplication,Fusion et fission de gènesStructure/fonction des protéines

Phylogénie moléculaire

Etude de l’évolution d’un génomeEn tant que tel

Gain et perte de gènesSynténieContexte Génétique

Mise en évidence des forcesMotrices sous-jacentes aux Modes d’évolution des génomes

L’évolution moléculaire dans le contexte de la Génomique

Génomique comparativeDès 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 différentspour une même fonction

Caractériser les gènes de l’adaptationAmélioration des espèces domestiquées

Mesurer/appréhender la biodiversitéGestion, conservation des ecosystèmes

Reconstruire l’histoire des espèces

AAAAA

ExonIntro

n

ARN pré-message

r

ARN message

r

Protéine

Codon start Codon stop

chromosome

séquence structure fonctions

QuantificationexpressionADNcESTs

séquence

gèneposition

structureséquence

Motifs régulateurs

Que compare-t-on ?

Dynamique des génomes

Biochimie des organismes

Plasticité du génome

Ilôts de pathogénicité

Évolution moléculaire

Arbre du vivantDernier ancêtre

commun universel

transferts horizontaux

Évolution des protéines

Organisation des gènes

synténie

Voies métaboliques Systèmes d’information

Génomique comparative

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

1. Les différents types de gènes a. au niveau homologieb. au niveau fonctionnel

2. Acquisition et perte de gènesa. Duplicationb. Dégradation en pseudogènes

3. Conservation de l'ordre des gènesa. Mécanisme de rupture de la

synténieb. Contexte génétique : déduction

fonctionnelle

Les différents types de gènes homologues

A B

A B1 B2

A B1 B2 A’ B1’ B2’

Les gènes A et A’ sont des

GènesOrthologues

B1 et de B2 sont des

Gènes Paralogues

duplication interne du gène B et

divergence des deux copies

divergence par spéciation

espèce 1 espèce 2

espèce ancestrale

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)

• 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

Les différents types de gènes homologues

Comparaison interspécifique (orthologues) et intraspécifique (paralogues)

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

• Résultat obtenu au cours de comparaisons intergénomiques• Mode d'évolution différent selon les trois Domaines du Vivant

Les différents types de gènes

Comparaison au niveau fonctionnel

Gènes opérationnels

métabolisme

transport actif

grandes fonctions cellulaires

secrétion

Gènes informationnels

réplication

recombinaison

transcription

traduction

1. Les différents types de gènes a. au niveau homologieb. au niveau fonctionnel

2. Acquisition et perte de gènesa. Duplicationb. Dégradation en pseudogènes

3. Conservation de l'ordre des gènesa. Mécanisme de rupture de la

synténieb. Contexte génétique : déduction

fonctionnelle

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

génomeancestral

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

fusion de deux gènes

voisins

Acquisition et perte de gènes : les grands mécanismes internes et externes

2. gène morcelé transcrit

3. gène morcelé non transcrit

4. gène très dégradé

5. disparition complète sous forme de région intergénique

1. gène (ORF) intact

mécanismes moléculaires de la conversion des gènes en pseudogènes

AtRH2330924-32477

ATPase39026-43607

ATPase38791-34264

AtRH1933516-31996 30674-28838 27833-26708 26071-24586

acetyltransferase 20390-17958

Région répétée

11461-15991

ATPase16434-16742 17945-19438

AtRH421978-25453

acetyltransferase

MDC16 Chr III

F20D21 Chr I

F28P22 Chr I

7857-9397 10299-11554 12386-13590 14209-15397 16772-18184 19507-21291 23369-23489 25725-28323 32062-34348 34758-36622 16434-16742 16434-16742 16434-16742

72698-71532 69661-65915 65071-62063 61582-57933 57259-53821 53392-51060 50484-48499 47823-45956

Flavonol synthase

Flavonol synthase

AtRH25 AtRH26

AtRH31

Pyruvate kinase

Pyruvate kinase

MBK5 ChrV

MAH20Chr V

Exemple de régions dupliquées (I)

34109-36965

AtRH1137422-38706 39260-41720 42524-42727 43007-43734 44381-47397 50600-53853 54367-57198 58779-61988 62247-64500 65062-68140 73898-76140 78337-79272 80664-86176

495-3857 4304-4986 6354-7079 8309-9343 9926-11934 12611-15034 23968-26160 27231-28888 29654-33791 43117-43650 51282-53363 53644-55821

AtRH52

AtRH37Protéine putative

Protéine putative

Protéine kinase

Protéine kinase

F14P22Chr III

F14N22Chr II

29417-31912 32343-33142 35068-38133 38938-40847 43698-41875 44143-44769 45520-47445 48638-50337 51356-53096 54129-57048 57318-58720 59207-60916 61922-63189

71435-70782 69945-68540 51633-48191 13738-11396 8965-7672 6586-487716087-15018 1550-241

6 gènes 10 gènes 1 gène 1 gène 1 gène

F4P13Chr III

T15N1Chr V

AtRH14

AtRH46

Protéineinconnue

Protéineinconnue

Protéineinconnue

Protéineinconnue

Protéineinconnue

Proteine C

Proteine C

Protéineinconnue

Protéineinconnue

Protéineinconnue

Protéineinconnue

Beta-1,4 Nacetylglucosaminyltransferase

Beta-1,4 Nacetylglucosaminyltransferase

Exemple de régions dupliquées (II)

Turmel, M., et al. Plant Cell 2003;15:1888-1903

Comparaison du génome mitochondrial de différents végétaux

1. Les différents types de gènes a. au niveau homologieb. au niveau fonctionnel

2. Acquisition et perte de gènesa. Duplicationb. Dégradation en pseudogènes

3. Conservation de l'ordre des gènesa. Mécanisme de rupture de la

synténieb. Contexte génétique : déduction

fonctionnelle

Synténie

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

Rupture de la synténie

GèneDuplicationsTranslocationsInsertionsDélétions InversionsFusionsReliques

ChromosomeDuplicationsTranslocationsInsertionsDélétions InversionsFusions

Génomeduplication

Rupture de la synténie

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

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

Modèle de travail

Eisenberg et al, 2000, Nature 405:823

Contexte génétique

Le voisinage peut indiquer un lien fonctionnel

plasticité des génomes

Un équilibre résultant de la neutralisation réciproque de forces motrices antagonistes

Fluidité

rupture de synténie par mouvement

incessant des gènes

Rigidité

certains gènes ne peuvent être séparés :

contexte génétique

Apport de gènes par duplication

Perte programmée de gènes

Apport de gènes et rupture de synténie

Chez les végétaux

Les génomes végétaux disponibles

45 génomes dont 5 complets

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 : ~170-235 Ma

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

• Duplications segmentales : 6303 gènes• Gènes dupliqués en tandem : 4140 gènes

• 17% des gènes • 1528 groupes jusqu’à 23 membres

Les familles de gènes

Les duplications segmentales

• 24 blocs dupliqués > 100 kb65,6 Mb (58% du génome)+ réarrangements locaux

• Ancêtre tétraploïde ? Evènement ayant eu lieu : 112 Ma

Exemple d’une duplication

Les génomes du riz

• 2 sous-espèces japonica et indica

• 12 chromosomes

• 57000 à 62500 gènes

• Taille des exons et nombre similaires à ceux d’A. thaliana

• Taille des introns 3,6 fois plus grand

Synténie Indica/Japonica (chromosome IV°

Comparaison des gènomes monocotylédone/dicotylédone

Répertoire des gènes

• Transcriptome (en 2004)

- A. thaliana : 30078 gènes 80 à 85% des protéines homologues à celles du riz les gènes sans similarité sont notés comme putatifs

- O. sativa : 32277 à 62500 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%

Organisation Génomique

• Pas de synténie monocot/dicot :chez les vertébrés, conservation de la synténie sur des 100ainesde 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) 16000 Mb

Et les génomes non séquencés ?

Utilisation des génomes modèles

Conservation de la synthénie chez les graminées

Hybridations in situ de chromosomes en métaphase et interphase de différentes espèces

Heslop-Harrison,J. S. Plant Cell 2000;12:617-636

L’origine de la fleur

A+ E

sépale

A+ B + E

pétale

A+ C + E

étamine

C + E

carpel

L’origine de la fleur

L’origine de la fleur

Génome " minimal " dépendant

ne contient que les gènes contemporains codant les

fonctions nécessaires

perte programmée de gènes

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

évolutio

n des gèn

es ance

straux

évolution des génomes

Génome ancestralgènes ancestraux codant

quelques fonctions primordiales

Notion de génome minimal

• 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 265-350 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 !!

Approches conceptuelle et expérimentale

Le riz – génome pivot