Novembre 2009Phylogénétique1 Les nouvelles preuves de lévolution: y accéder en classe PO 422

Novembre 2009Phylogénétique 1

Les nouvelles preuves de l’évolution: y accéder en

classePO 422


Phylogénie

Etude des relations de parenté entre espèces.

Une analyse phylogénétique permet d’estimer (modéliser) les relations évolutives qui existent entre les espèces grâce à un arbre: qui a un ancêtre commun - qui est le cousin de qui ?


http://www.unige.ch/450/expositions/genome/presentation/slogans.html


Il est possible de construire un arbre phylogénétique à partir de différents types de données:

– Les données morphologiques (écailles ou plumes, présence de certains os du crâne, forme des feuilles…). Il existe quelques centaines de caractères définis dans ce but par les spécialistes.

– Les caractères physiologiques (température corporelle…)



Il est possible de construire un arbre phylogénétique à partir de différents types de données:

– les données morphologiques (écailles ou plumes, présence de certains os du crâne,, forme des feuilles…). Il existe quelques centaines de caractères définis dans ce but par les spécialistes.

– Les caractères physiologiques (température corporelle…)

Mais aussi….

– L’ordre des gènes (par exemple sur l’ADN des mitochondries)– les données moléculaires (séquences d’ADN ou de protéines). Des

mutations modifient les séquences de l’ADN et par conséquent des protéines au cours de l’évolution.

– toutes les données existantes….(défi scientifique !)


http://tecfa.unige.ch/perso/lombardf/calvin/images/restricted/index.php?op=5&path=evolution&file=cytochrome-divers-org.jpg

Cytochrome C


Comment construire des arbres phylogénétiques sur la

base des séquences des protéines…


Actin-related protein 2

ARP2_A MESAP---IVLDNGTGFVKVGYAKDNFPRFQFPSIVGRPILRAEEKTGNVQIKDVMVGDEARP2_B MDSQGRKVIVVDNGTGFVKCGYAGTNFPAHIFPSMVGRPIVRSTQRVGNIEIKDLMVGEEARP2_C MDSQGRKVVVCDNGTGFVKCGYAGSNFPEHIFPALVGRPIIRSTTKVGNIEIKDLMVGDEARP2_D MDSQGRKVVVCDNGTGFVKCGYAGSNFPEHIFPALVGRPIIRSTTKVGNIEIKDLMVGDEARP2_E MDSKGRNVIVCDNGTGFVKCGYAGSNFPTHIFPSMVGRPMIRAVNKIGDIEVKDLMVGDE *:* :* ******** *** *** . **::****::*: . *::::**:***:*

Les différentes espèces sont:Caenorhabditis briggsaeDrosophila melanogasterHomo sapiensMus musculusSchizosaccharomyces pombe

Quelle séquence ‘appartient’ à quelle espèce ?

?


• ARP2_A MESAP---IVLDNGTGFVKVGYAKDNFPRFQFPSIVGRPILRAEEKTGNVQIKDVMVGDE• ARP2_B MDSQGRKVIVVDNGTGFVKCGYAGTNFPAHIFPSMVGRPIVRSTQRVGNIEIKDLMVGEE• *:* **:******** *** *** . ***:*****:*: :..**::***:***:*

• ARP2_B MDSQGRKVIVVDNGTGFVKCGYAGTNFPAHIFPSMVGRPIVRSTQRVGNIEIKDLMVGEE• ARP2_C MDSQGRKVVVCDNGTGFVKCGYAGSNFPEHIFPALVGRPIIRSTTKVGNIEIKDLMVGDE• ********:* *************:*** ****::*****:*** .************:*

• ARP2_C MDSQGRKVVVCDNGTGFVKCGYAGSNFPEHIFPALVGRPIIRSTTKVGNIEIKDLMVGDE• ARP2_D MDSQGRKVVVCDNGTGFVKCGYAGSNFPEHIFPALVGRPIIRSTTKVGNIEIKDLMVGDE• ************************************************************

• ARP2_D MDSQGRKVVVCDNGTGFVKCGYAGSNFPEHIFPALVGRPIIRSTTKVGNIEIKDLMVGDE• ARP2_E MDSKGRNVIVCDNGTGFVKCGYAGSNFPTHIFPSMVGRPMIRAVNKIGDIEVKDLMVGDE• ***:**:*:******************* ****::****:**:..*:*:**:********

• ARP2_A MESAP---IVLDNGTGFVKVGYAKDNFPRFQFPSIVGRPILRAEEKTGNVQIKDVMVGDE• ARP2_C MDSQGRKVVVCDNGTGFVKCGYAGSNFPEHIFPALVGRPIIRSTTKVGNIEIKDLMVGDE• *:* :* ******** *** .*** . **::*****:*: *.**::***:*****

• ARP2_D MDSQGRKVVVCDNGTGFVKCGYAGSNFPEHIFPALVGRPIIRSTTKVGNIEIKDLMVGDE• ARP2_B MDSQGRKVIVVDNGTGFVKCGYAGTNFPAHIFPSMVGRPIVRSTQRVGNIEIKDLMVGEE• ********:* *************:*** ****::*****:*** .************:*


• PhiloPhylo ‘kit tout en 1’, mais avec un choix limité de protéines au départ…

http://education.expasy.org/philophylo

• www.uniprot.org: banques de données de protéines (encyclopédie) contenant des informations biologiques et les séquences en acides aminés.

• www.phylogeny.fr

http://education.expasy.org/philophylo

http://www.uniprot.org/

http://www.phylogeny.fr/


Le principe

• 1. Sélection: set de séquences de protéines ‘homologues’

• 2. Comparaison: alignement multiple

• 3. Construction de l’arbre: ‘calculer les différences’


Le principe

• Sélection: set de séquences de protéines ‘homologues’

• Comparaison: alignement multiple• Construction de l’arbre: ‘calculer

les différences’


PhiloPhylo


www.uniprot.org

• ‘query’ par nom de protéines ou nom de gènesUtiliser http://www.uniprot.org/Exemples:

http://education.expasy.org/cours/FLO/Liste_prot_evol.html

• Blast Utiliser h

ttp://www.expasy.org/tools/blast/ou le Blast@UniProt


http://www.expasy.org/tools/blast/

http://www.expasy.org/tools/blast/


Scénario 5: www.uniprot.org


www.uniprot.org (query ‘insulin’)



Protein and gene nameS

www.uniprot.org/ query FOLH1



Liste de protéines ‘candidats’http://education.expasy.org/cours/FLO/Liste_prot_evol.html


Le principe



les différences’


PhiloPhylo


Alignement multiple des séquences en acides aminés de l’insuline de différentes espèces

www.uniprot.org (query ‘insulin’, align)



http://www.unige.ch/450/expositions/genome/presentation/slogans.html


• Les mutations dans l’ADN peuvent être dûes à– Des erreurs lors de la réplication de l’ADN– Des agents chimiques ou physiques (fumée de cigarette, UV,…)– Des virus

• Les conséquences des mutations peuvent être des changements ‘mineurs’ (changement d’un acide aminé pour un autre) ou majeurs (duplication de gènes, délétion d’un bout de chromosomes, …)

• Chez les mammifères, à chaque génération, il se produit en moyenne quelques dizaines de mutations dans le génome de chaque individu.

– Si ces mutations se trouvent dans l’ADN des cellules sexuelles, elles seront transmises à la descendance.

– La dérive génétique (‘genetic drift’) et/ou la sélection naturelle (favorisant la sélection des individus avec des mutations qui augmentent les chances de reproduction et de survie dans un environnement donné) fixeront les mutations dans une population puis une espèce donnée.


http://www3.interscience.wiley.com/cgi-bin/fulltext/117981248/HTMLSTART

(i) FR1• The FRIGIDA (FR1) gene has been shown to be a major determinant of flowering time in

Arabidopsis thaliana. A majority of early-flowering ecotypes shows one or two deletions that generate a frameshift in the FR1 open reading frame (ORF), suggesting that this phenotype has arisen at least twice. Le Corre, Roux & Reboud (2002) performed a population analysis on different ecotypes and confirmed that the loss of function mutations was associated with an early-flowering phenotype, these gene inactivations systematically evolved in a non-neutral fashion. Moreover, they confirmed that the gene inactivation was phenotypically linked to an early flowering ecotype adaptated to cold environments (Johanson et al., 2000; Le Corre et al., 2002). This represents a strong indication that environmental change has driven this genetic change.

(ii) CCR5• This primate transmembrane receptor is a cellular gateway for the entry of HIV-1 and all

strains of SIV. Human homozygotes for the CCR5 null allele which has a 32 base pair (bp) deletion are highly resistant to HIV-1 infection. Another null allele (24 bp deletion) of CCR5 has convergently evolved in sooty mangabeys (Cercocebus atys), a natural host of SIV. The occurrence of the mangabey null allele at an appreciable frequency (around 4%) could be explained by positive selection; null homozygotes are protected from SIV infection because the encoded protein is not transported to the cell surface (Palacios et al., 1998). The null allele has been shown to be positively selected in humans (Galvani & Novembre, 2005). However, the exact nature of the selective pressure involved in the origin of the CCR5-{delta} 32 allele and its high prevalence in European populations (approximately 10%) is unclear as the HIV epidemic in humans is much more recent than the age of the null allele (about 700 years). However, both HIV and poxviruses enter leukocytes using chemokine receptors; it is plausible that the loss of the CCR5 chemokine receptor originally conferred resistance against smallpox. This hypothesis is supported by a correlation between historical smallpox epidemics and allele geographic distribution (Galvani & Slatkin, 2003).


Hélice alpha

Hélice alpha

Peptide signal

On ne peut pas ‘muter’ n’importe quoi….


Propriétés physico-chimiques des différents acides aminés

NQ

DE

R

K

F

HW

YM

I LV T

S

AG

CP Hydrophilic

NH2

OHTiny

Hydrophobic

Aliphatic

Aromatic

PositiveNegative

Charged


www.uniprot.org (query ‘insulin’, align)



Les gènes (et les protéines) évoluent à des vitesses différentes

L’histone H4 n’a accumulé que 2 mutations ‘conservatives’ en 1.5 milliard d’années


Une protéine qui a évolué extrêmement rapidement: l’involucrin (une protéine de la peau): 10 % de changements en l’espace de 4 millions d’années (séparation des chimpanzés et de l’homme)

Les gènes (et les protéines) évoluent à des vitesses différentes


Le principe



les différences’


• Un arbre phylogénétique est un modèle qui décrit les relations entre des unités taxonomiques


Le résultat dépend de la protéine utilisée pour construire l’arbre….et le résultat ne correspond pas toujours à l’’arbre des espèces’…


www.phylogeny.fr

• Introduire le set de séquences sélectionnées à www.uniprot.org (format ‘fasta’)

• Utiliser les paramètres par défaut (‘one’ click)



www.phylogeny.fr


Cladogramme obtenu à partir de l’analyse phylogénétique de l’alignement multiple des séquences d’insuline

www.phylogeny.fr

Le résultat dépend de la protéine utilisée pour construire l’arbre….et le résultat ne correspond pas toujours à l’’arbre des espèces’…


Les différents types d’arbres (1)


Arbres (cladogrammes)

BA

Roots

Internal nodes

C D E F G BA C D E F GEnd nodes

Branches


Peabody museum exhibition on the Tree of Life http://www.peabody.yale.edu/exhibits/treeoflife/

http://www.peabody.yale.edu/exhibits/treeoflife/



Combien d’arbres différents ?


Les différents types d’arbres (2)

Arbres phylogénétiques

• Cladogramme

• PhylogrammeLa longueur des branches est proportionnelle aux différences. Cette longueur n’est pas toujours facile à interpréter ! Elle dépend entre autre de la vitesse d’évolution…(nombres de variations par site dans un laps de temps donné)

Qui est le cousin de qui ?


Exemple de cladogramme obtenu à partir de l’analyse bioinformatique de l’alignement multiple des séquences d’insuline- Qui est le cousin de qui ? Qui a un ancêtre commun ?

www.phylogeny.fr

Exemple de phylogramme obtenu à partir de l’analyse bioinformatique de l’alignement multiple des séquences d’insuline- Quelle protéine a évolué plus rapidement ?

Le temps qui s’écoule….

Echelle: ‘expected number of changes

per site’


Exemple de phylogramme obtenu à partir de l’analyse bioinformatique de l’alignement multiple des séquences d’insuline

Probabilité que l’arbre ait la bonne configuration à chaque embranchement

(> 0.95: OK)

Le temps qui s’écoule….

L’insuline de la carpe a ‘évolué’ (moins de

changements dans sa séquences en acides

aminés) moins rapidement que

l’insuline des autres espèces…


Les embranchements

• Spéciation• Duplication de gènes


Human gene A

Mouse gene B

Mouse gene A

Human gene B

Frog gene A

Frog gene B

Drosophila gene AB

Orthologs

Orthologs

Paralogs

Homologs

Gene duplication

Ancestral gene

Spéciation et duplication de gène

speciation

speciation

speciation

speciation


Spéciation et duplication de gène

Duplication ins1 – ins 2

Spéciation rat - souris


"Ce qui n'est pas entouré d'incertitudes ne peut pas être la vérité » R. Feynmann


A vous de jouer…


Ressources taxonomiques


http://www.ncbi.nlm.nih.gov/guide/taxonomy/

Novembre 2009Phylogénétique 53http://www.uniprot.org/taxonomy/


Animal Diversity Web (ADW)

http://animaldiversity.ummz.umich.edu/site/index.html




Perspectives et applications


Les mitochondries et chloroplastes sont d’origine bactérienne ‘endosymbiotique’


Facteur d’élongation


Autres projets

- ~200 protéines universelles - Arbre ‘global’

Applications- métagénomes (identifications de nouvelles espèces, de nouveaux gènes (20 mo), de nouveaux enzymes….)-1ml d’eau de mer: 1 million de bactéries et 10 million de virus (C.Venter).- découvertes de nouvelles bactéries (la moitié de la biomasse)

- médecine: identification de nouveaux pathogènes.


Références

• http://www.unige.ch/presse/Campus/campus95.html


Liste de gènes intéressants

‘Conceptual bases for quantifying the role of the environment on gene evolution: the participation of positive selection and neutral evolution’




(i) FR1• The FRIGIDA (FR1) gene has been shown to be a major determinant of flowering time in

Arabidopsis thaliana. A majority of early-flowering ecotypes shows one or two deletions that generate a frameshift in the FR1 open reading frame (ORF), suggesting that this phenotype has arisen at least twice. Le Corre, Roux & Reboud (2002) performed a population analysis on different ecotypes and confirmed that the loss of function mutations was associated with an early-flowering phenotype, these gene inactivations systematically evolved in a non-neutral fashion. Moreover, they confirmed that the gene inactivation was phenotypically linked to an early flowering ecotype adaptated to cold environments (Johanson et al., 2000; Le Corre et al., 2002). This represents a strong indication that environmental change has driven this genetic change.

(ii) CCR5• This primate transmembrane receptor is a cellular gateway for the entry of HIV-1 and all

strains of SIV. Human homozygotes for the CCR5 null allele which has a 32 base pair (bp) deletion are highly resistant to HIV-1 infection. Another null allele (24 bp deletion) of CCR5 has convergently evolved in sooty mangabeys (Cercocebus atys), a natural host of SIV. The occurrence of the mangabey null allele at an appreciable frequency (around 4%) could be explained by positive selection; null homozygotes are protected from SIV infection because the encoded protein is not transported to the cell surface (Palacios et al., 1998). The null allele has been shown to be positively selected in humans (Galvani & Novembre, 2005). However, the exact nature of the selective pressure involved in the origin of the CCR5-{delta} 32 allele and its high prevalence in European populations (approximately 10%) is unclear as the HIV epidemic in humans is much more recent than the age of the null allele (about 700 years). However, both HIV and poxviruses enter leukocytes using chemokine receptors; it is plausible that the loss of the CCR5 chemokine receptor originally conferred resistance against smallpox. This hypothesis is supported by a correlation between historical smallpox epidemics and allele geographic distribution (Galvani & Slatkin, 2003).


Exemple de gènes / protéines

• http://education.expasy.org/cours/FLO/Liste_prot_evol.html


Divers

- Simulation par ordinateur: avec 2 mécanismes, le hasard et la sélection, l’informaticien Karl Sim a généré une complexité fascinante: http://www.archive.org/details/sims_evolved_virtual_creatures_1994


Phylogenetic servers

• http://www.phylogeny.fr/ • http://bioweb.pasteur.fr/seqanal/phylogeny/intro-uk.htm

l• http://atgc.lirmm.fr/phyml/• http://phylobench.vital-it.ch/raxml-bb/• http://power.nhri.org.tw/power/home.htm




http://bioweb.pasteur.fr/seqanal/phylogeny/intro-uk.html

http://bioweb.pasteur.fr/seqanal/phylogeny/intro-uk.html

http://atgc.lirmm.fr/phyml/



http://phylobench.vital-it.ch/raxml-bb/

http://phylobench.vital-it.ch/raxml-bb/

http://power.nhri.org.tw/power/home.htm

http://power.nhri.org.tw/power/home.htm


Un ancêtre commun


La construction d’arbre phylogénétique ne serait pas

possible …

sans la notion d’ancêtre commun…

Les espèces ne sont pas immuables, mais issues d’autres espèces et peuvent elles-mêmes

donner naissance à de nouvelles. La sélection naturelle est opportuniste et ne poursuit aucun

but à long terme.

Jean-Baptiste de Lamarck et Charles Darwin


• Cette notion d’ancêtre commun a été confirmée – par la découverte de l’ADN et du code

génétique ‘quasi universel’* que se partagent tous les organismes vivants.

*http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Taxonomy/Utils/wprintgc.cgi?mode=c

– par la découverte de gènes très conservés entre les espèces (exemples: gène ‘engrailed’, histone H4, ARN ribosomal) et de gènes ‘universels’ (~200).








LUCA: Last Universal Common Ancestor

LUCA est la ‘racine’ de l’arbre de la vie, mais probablement pas le premier organisme unicellulaire vivant. Il devait être déjà complexe et donc le résultat d’un long processus d’évolution







http://www.peabody.yale.edu/exhibits/treeoflife/challenge.html

Novembre 2009Phylogénétique 71http://www.sciencedaily.com/releases/2009/11/091104132706.htm

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