Résumé du cours Page 1 EPHE – UE Génétique des populations – GENEPOP

UE GENEPOP

Génétique des populations

Ce cours apporte les bases indispensables à la compréhension de la variation génétique et à son utilisation en biologie des populations

Michel Veuille

veuille@mnhn.fr Directeur d’études de l’EPHE

Le cours se déroule du lundi au vendredi

de 9:00 à 12:00 et de 14:00 à 17:00. Paris Bâtiment LE France, salle 116 16 novembre – 20 novembre 2015

Il est demandé de venir avec un portable.

Résumé du cours Ce diaporama résume chacune des dix séances du cours (10 demi-journées)

Informations en direct sur le cours : http://isyeb.mnhn.fr/annuaire-et-pages-personnelles/documentation/veuille/Genetique-des-populations-243

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PROGRAMME DU COURS

Lundi 16 novembre matin

Pourquoi cette expression: génétique des populations ? Populations : Comparaisons entre échantillons.

Lundi 16 novembre après-midi

Polymorphisme : la mesure de la variation (allèles et séquence d’ADN).. Exemples et applications

Mardi 17 novembre matin

Consanguinité et dérive aléatoire Petites populations, lignées d’élevage, dérive aléatoire.

Mardi 17 novembre après-midi

Différenciation entre populations. Estimation (FST), quelques modèles de structuration spatiale. Quelques logiciels couramment utilisés; exemples

Mercredi 18 novembre matin

Equilibre neutre mutation-dérive – théorie de la coalescence Différents modèles de sélection; équilibre mutation-sélection

Mercredi 18 novembre après-midi

Sélection naturelle Différents modèles de sélection; équilibre mutation-sélection

Jeudi 19 novembre matin

Travaux dirigés Sur ordinateur: sélection et dérive aléatoire

Jeudi 19 novembre après-midi

Exemples d’hypothèses en génétique évolutive Les principales hypothèses sur les mécanismes de l’évolution

Vendredi 20 novembre matin

Systèmes génétiques Evolution du sex-ratio - évolution de la coopération

Vendredi 20 novembre après-midi Spéciation – Bilan du cours - Contrôle sur table

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En 1838, Darwin conçoit la théorie de la sélection naturelle, qu’il publie en 1858 : l’excès de potentiel reproductif au sein des espèces entraîne une lutte pour l’existence. Les individus portant les variations les mieux adaptées survivent. Ceci modifie progressivement les espèces.

1 (LUNDI MATIN): POURQUOI « GÉNÉTIQUE DES POPULATIONS » ?

Herédité de mélange (erronnée)

X

X

Herédité mendéliene (exacte)

Mais Darwin croyait, comme ses contemporains, à l’hérédité de mélange, selon laquelle un descendant serait intermédiaire entre ses parents, pour des traits obtenus par hérédité des caractères acquis. Cette conception erronée menait à accorder un rôle important à l’hérédité des caractères acquis. Cela jeta un discrédit sur la théorie de la sélection naturelle qui dura 70 ans.

La redécouverte des lois de Mendel en 1900, suivie de la publication de la théorie de la génétique des populations en 1930 réhabilita la théorie de la sélection naturelle: l’hérédité est constituée d’allèles, qui ne se mélangent pas, mais ségregent dans les populations. L’évolution implique un changement de fréquence des allèles. L’évolution s’étudie à l’échelle des populations. D’où l’expression de "génétique des populations"

- Succession des générations

- Succession des générations

Théorie de la sélection naturelle

variations transmissibles entre générations

différences d’adaptation entre individus

Excès de potentiel reproductif

sélection des formes les mieux adaptées

et

et

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Définitions: - On appelle population un groupe d’organismes se reproduisant entre eux pour former une même communauté reproductive. - On appelle polymorphisme l’existence de plusieurs formes discrètes au sein d’une même population. - Dans une population panmictique, un systèmes d’allèles neutres engendre des fréquences génotypiques en proportions de Hardy-Weinberg.

Exemples de polymorphisme : variations qualitatives au sein des espèces: escargots des haies (Cepaea nemoralis) , coccinelle asiatique (Harmonia axyridis).

Tests statistiques. La première étape d’un travail de génétique des populations consiste à comparer des populations entre elles, ou à une population de référence (réelle ou théorique), et à démontrer qu’il existe des différences significatives entre elles. Car si les différences ne sont pas significatives, il n’y a rien à expliquer ..! Le succès de cette première étape étant acquis, l’étape suivante consistant à rechercher les causes des différences. La mise en évidence des différences fait souvent appel à un test non-paramétrique : test du χ2 , test G, test exact de Fisher. Par convention, le seuil de 0,05 est le seuil de signification statistique. C’est un compromis entre les deux risques opposés : risque de rejeter une hypothèse vraie (risque de première espèce), et risque de ne pas rejeter une hypothèse fausse (risque de deuxième espèce). Lorsqu’on réalise plusieurs tests, on augmente le risque de première espèce (rejeter une hypothèse vraie). Il faut appliquer la correction de Bonferronni pour compenser la multiplicité des tests.

(LUNDI MATIN) – POPULATIONS : COMPARAISONS ENTRE ÉCHANTILLONS

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(LUNDI APRÈS-MIDI) – POLYMORPHISME : MESURE DE LA VARIATION

Mesure du polymorphisme. On appelle diversité allélique (H) la probabilité de trouver deux gènes identiques par état au cours de deux tirages indépendants dans la populations. Dans le cas d’un système diploïde, H peut aussi s’appeler hétérozygotie. On appelle homozygotie son complément à un, soit F = 1-H. -L’homozygotie d’une population se calcule comme F = Σpi

2, où les pi sont les fréquences des k allèles (i= 1..k).

- L’héterozygotie d’une population se calcule alors comme H = 1 – Σpi2.

- On démontre que l’hétérozygotie d’un échantillon de taille n est égale à h = H(1-1/n). Cette baisse de la diversité est due à l’échantillonnage. De même que dans une petite population, les individus tendent à devenir apparentés et consanguins, de même, tout échantillonnage réduit la valeur observée de la diversité allélique. Si l’on veut estimer la diversité d’une population à partir d’un échantillon de taille n, il faut compenser cette erreur de mesure. L’estimation de la diversité de la population à partir des fréquences observées devient : H = (1 – Σpi

2)(n-1)/n. Cette formule donne à la fois l’estimation du biais d’échantillonnage et le rythme de la dérive génétique aléatoire

Différentes manières d’observer la variation génétique

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3 (MARDI MATIN): CONSANGUINITÉ, ÉVOLUTION DU POLYMORPHISME

A

I

Identité: deux gènes identiques par descendance dérivent du même gène ancêtre. Le calcul de l’identité des gènes à partir des généalogies permet de calculer le coefficient de parenté, et le coefficient de consanguinité, deux mesures très utilisées en génétique humaine, en techniques d’élevage, et dans les parcs zoologiques. Mutation: au cours de la descendance des mutations peuvent se produire dans la population. Deux gènes identiques par état portent la même mutation. Ils appartiennent au même allèle

Diminution de la diversité allélique. Le phénomène de perte de diversité pare effet d’échantillonnage se produit aussi à l’échelle de la population, mais à un rythme très faible du fait de la grande taille de la population. Par définition, cette diminution après t générations est telle que Ht = H0 (1-1/2Ne). On appelle Ne l’effectif efficace de la population.

Dérive génétique aléatoire. L’effectif efficace Ne implique que la population est de taille finie. On peut lui appliquer les lois statistiques et remarquer que les fréquences alléliques fluctuent lentement au hasard selon une loi binomiale. En une génération la fréquence pi d’un gène varie avec une variance V = pi (1-pi)/(2Ne)

L’individu I est consanguin

Généalogie d’une population avec une mutation

4(MARDI APRÈS-MIDI): DIFFÉRENCIATION ENTRE POPULATIONS

Populations structurées: lorsqu’une espèce est fractionnée en populations plus ou moins isolées entre elles, la dérive aléatoire tend à accumuler des différences génétiques entre celles-ci. On démontre que dans le cas d’une espèce structurée, la diversité génétique totale HT tend à être supérieure à la moyenne HS des diversités génétiques des populations, selon la formule : HT = HS + DST , avec DST ≥ 0.

Soient deux allèles, a et A dans une population * Le triangle délimite toutes les valeurs que peut prendre la fréquence du génotype hétérozygote (H) en fonction de la fréquence de l’allèle a (p). * La courbe passant par un maximum H = 0,5 correspond aux valeurs que prend si les croisements se font au hasard (H = 2pq).

Que se passe-t-il quand on mélange deux populations ? * La fréquence du mélange est égale à la moyenne des fréquences alléliques * La fréquence des hétérozygotes du mélange est toujours inférieure à la fréquence attendue des hétérozygotes

Sewall Wright (1951) a défini un indice de fixation : FST = DST / HT . FST Varie de 0 (homogénéité de l’espèce) à 1 (fixation d’allèles différents entre populations).

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4(MARDI APRÈS-MIDI): DIFFÉRENCIATION ENTRE POPULATIONS

Phylogénie en étoile Les populations n’échangent plus de migrants et accumulent les différences

Modèle en île Par la migration, un équilibre s’établit entre différenciation et ressemblance

Isolement par la distance Les populations échangent de migrants de proche en proche, la différentiation s’accroit avec la distance

Exemple: chez le poisson corallien Cephalopolis argus, la structuration génétique permet de calculer l’effectif de fondation de nouvelles populations

Exemple: chez les mammifères sociaux la structuration génétique différente des gènes nucléaires et mitochondriaux révèle les différences de comportement migratoires entre mâles et femelles.

Exemple: Les goëlands de l’espèce Larus agentatus forment autour du pôle un cercle de sous-espèces en continuité, de proche en proche, avec l’espèce Larus fuscus. En Europe occidentale, les populations des deux espèces restent isolées

Trois modèles classiques de populations structurées

Après avoir montré qu’il y a un déficit d’hétérozygotes, il faut déterminer quel mécanisme est à l’origine de la différenciation des populations. Il existe plusieurs modèles-types, qui permettent de faire des inférences sur la valeur numérique de paramètres populationnels (NB. Quand il y a plus de 2 allèles, le FST prend le nom, plus général, de GST)

Nt

ST eG 21−

−= 141+

=mN

Ge

ST ( )[ ].log1

distfG

G

ST

ST =−

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6(MERCREDI MATIN): EQUILIBRE NEUTRE MUTATION DÉRIVE

En 1968, Kimura et Ohta proposent le modèle neutre de l’évolution moléculaire, selon lequel le taux de mutation suffit à expliquer le polymorphisme des protéines et de l’ADN. Certes la sélection existe, et joue un rôle important dans l’évolution, mais elle détermine une faible fraction des polymorphismes détectés. Il existe trois catégories de mutations : - Les mutations neutres ou quasi-neutres. Leur fréquence fluctue au hasard dans les populations naturelles - Les mutations délétères. Eliminées en quelques générations, elles n’engendrent pas de polymorphisme détectable - Les mutations avantageuses. Elles peuvent aussi disparaître par dérive aléatoire, mais se fixent rapidement si elles survivent. Elles n’engendrent pas de polymorphisme important. Il est transitoire. Selon la théorie neutre, tout polymorphisme est récent, d’un âge maximum moyen de 4Ne générations.

Taux de remplacement des mutations neutres selon la théorie de l’évolution moléculaire neutre (Kimura 1983)

La limule est un organisme n’ayant pas changé de forme depuis 200 millions d’années. Pourtant, elle est sujette à des mutations, et son niveau de polymorphisme est comparable à celui des autres organismes. Elle est parfaitement adaptée à son milieu et la sélection n’a pas modifié sa morphologie.

Horloge moléculaire neutre : Kn = 2T.µn Variation moléculaire neutre : θn = 4Ne .µn

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5(MERCREDI APRÈS-MIDI): SÉLECTION NATURELLE

Escargots jaunes autres Total

Pris par les grives 5 21 26

autres 37 43 80

Total 42 64 106

Mimétisme. Trois espèces de lépidoptères d’Amérique du Nord (g. à d.) : Danaus plexippus (monarque), Limenitis archippus (vice-roi), et Limenitis arthemis. Le monarque n’est pas mangé par les oiseaux, parce qu’il se nourrit d’Asclépiales, plantes qui contiennent une toxine vomitive. Le vice-roi bénéficie de sa protection et ne ressemble plus extérieurement aux autres Limenitis.

Papillon Kallima à l’aspect de feuille morte

whqhpspqp )1()( −+

=∆

A l’époque de Darwin, il existait peu d’exemples démonstratifs de sélection en action, sinon la sélection artificielle, la sélection sexuelle, et les cas de mimétisme. Entre 1918 et 1930, les généticiens des populations explorent les modèles mathématiques de sélection naturelle . Dans le cas le plus simple, on montre que la fréquence d’un allèle de fréquence p ayant un avantage s à l’état homozygote, et hs à l’état hétérozygote, augmente très vite de fréquence suivant la formule ci-dessous, puis se fixe dans la population :

Ces formules ont joué un rôle considérable dans l’histoire de la théorie de l’évolution. Aujourd’hui on préfère estimer la fréquence des évenements sélectifs dans les génomes. On utilise alors la théorie de la coalescence.

Sélection auprès des enclumes à grives

La couleur jaune protège les escargots de la prédation par les grives dans la région étudiée.

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7 (JEUDI MATIN): SIMULATIONS DE POPULATIONS SUR ORDINATEUR

Dérive

Changements sélectifs

Illustrations de la dynamique du changement sélectif : Effet de la sélection naturelle et de la dérive aléatoire sur l’évolution des fréquences alléliques, Probabilité de perdre un allèle neutre, avantagé, délétère Rôle de la récessivité et de la dominance Systèmes sélectifs à l’équilibre. balancé

Il est demandé de venir avec un portable !

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9 (JEUDI APRÈS-MIDI): EXEMPLES D’HYPOTHÈSES EN GÉNÉTIQUE ÉVOLUTIVE

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8 (VENDREDI MATIN): EVOLUTION DES SYSTÈMES GÉNÉTIQUES

* Les systèmes génétiques : autogamie et hétérogamie * Evolution du sex-ratio : pourquoi produire autant de mâles que de

femelles ? * Le double avantage du sexe * Conflits génomiques et distorsion de ségrégation: quand les gènes

trichent avec les lois de Mendel * Histoire de la sexualité. Conceptions actuelles sur les transitions

majeures au cours de l’évolution ? * Altruisme entre apparentés * Sélection de groupe et sélection de parentèle * L’origine et l’évolution de l’eusocialité chez les hyménoptères

sociaux * Les diverses manières de transmettre des gènes * Notion de trade-off entre stratégies alternatives

Ce fraisier utilise trois manières de diffuser ses gènes (reproduction asexuée par stolons, diffusion de fruits par les oiseaux, pollinisation de fruits éloignés par les insectes). Elles ont des propriétés différentes

Sexualité entomophile des plantes, eusocialité des hyménoptères. Cette ouvrière (stérile) de bourdon pollinisant une cardère illustre la complexité des relations biologiques découlant de la reproduction sexuée, adoptée dès ses origines par le monde vivant.

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10 (VENDREDI APRÈS-MIDI): DÉFINITION BIOLOGIQUE DE L’ESPÈCE

A NOTER

Contrôle des connaissances : Une partie sera faite pendant la semaine de cours Pour les masters, une partie sera faite à la maison

Apportez un ordinateur et une calculette

1. La définition biologique de l’espèce 2. Bilan du cours et du contrôle des connaissance