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Evolution des génomes de vertébrés depuis leur ancêtre craniate commun

Evolution des génomes de vertébrés depuis leur ancêtre craniate commun. Matthieu Muffato Laboratoire Dyogen Ecole Normale Supérieure. Classification des vertébrés. Gasterosteus aculeatus. Cephalochordés (Amphioxus). Urochordés (Ciona intestinalis). Cambrian. CRANIATES (-480 Ma).

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Evolution des génomes de vertébrés depuis leur ancêtre craniate commun

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Presentation Transcript

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

  2. Classification des vertébrés Gasterosteus aculeatus Cephalochordés (Amphioxus) Urochordés (Ciona intestinalis) Cambrian CRANIATES (-480 Ma) 500 Myxiniformes (Hagfish) Ordovician Chondrichthyes (requins,…) Osteichthyes (poissons osseux) Silurian Paleozoic 400 Devonian Sarcopterygiens Actinoptérygiens Tetrapodes Teleostéens Acipenseriformes (esturgeons,…) Coelacanthimorpha Carboniferous 300 Permian Percomorphes Triassic 200 Oiseaux Jurassic Mezozoic Cypriniformes Mammifères Cretaceous Tetraodontiformes 100 Cenozoic 0 Mus musculus Homo sapiens Gallus gallus Tetraodon nigroviridis Takifugu rubripes Danio rerio

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

  4. Classification des vertébrés Gasterosteus aculeatus Cephalochordés (Amphioxus) Urochordés (Ciona intestinalis) Cambrian CRANIATES (-480 Ma) 500 Myxiniformes (Hagfish) Ordovician Chondrichthyes (requins,…) Osteichthyes (poissons osseux) Silurian Paleozoic 400 Devonian Sarcopterygiens Actinoptérygiens Tetrapodes Teleostéens Acipenseriformes (esturgeons,…) Coelacanthimorpha Carboniferous Duplication ? 300 Permian Percomorphes Triassic 200 Oiseaux Jurassic Mezozoic Cypriniformes Mammifères Cretaceous Tetraodontiformes 100 Cenozoic 0 Mus musculus Homo sapiens Gallus gallus Tetraodon nigroviridis Takifugu rubripes Danio rerio

  5. Distribution des 748 gènes dupliqués de Tetraodon

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

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

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

  9. Reconstruction Automatique : étape 1/3 Poulet Poulet Cassure chez Tetraodon Poulet Poulet Fusion chez Tetraodon 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

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

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

  12. 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

  13. 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

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

  15. Classification des vertébrés Gasterosteus aculeatus Cephalochordés (Amphioxus) Urochordés (Ciona intestinalis) Cambrian CRANIATES (-480 Ma) 500 Myxiniformes (Hagfish) Ordovician Chondrichthyes (requins,…) Osteichthyes (poissons osseux) Silurian Paleozoic 400 Devonian Sarcopterygiens Actinoptérygiens Tetrapodes Teleostéens Acipenseriformes (esturgeons,…) Coelacanthimorpha Carboniferous Duplication  300 Permian Percomorphes Triassic 200 Oiseaux Jurassic Mezozoic Cypriniformes Mammifères Cretaceous Tetraodontiformes 100 Cenozoic 0 Mus musculus Homo sapiens Gallus gallus Tetraodon nigroviridis Takifugu rubripes Danio rerio

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

  17. Classification des vertébrés Ancêtre des amniotes ? Cephalochordés (Amphioxus) Urochordés (Ciona intestinalis) Cambrian CRANIATES (-480 Ma) 500 Myxiniformes (Hagfish) Ordovician Chondrichthyes (requins,…) Osteichthyes (poissons osseux) Silurian Paleozoic 400 Devonian Sarcopterygiens Actinoptérygiens Tetrapodes Teleostéens Acipenseriformes (esturgeons,…) Coelacanthimorpha Carboniferous Duplication  300 Permian Percomorphes Triassic 200 Oiseaux Jurassic Mezozoic Cypriniformes Mammifères Cretaceous Tetraodontiformes 100 Cenozoic 0 Mus musculus Homo sapiens Gallus gallus Gasterosteus aculeatus Tetraodon nigroviridis Takifugu rubripes Danio rerio

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

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

  20. 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)

  21. Classification des vertébrés 2 duplications complètes du génomes Cephalochordés (Amphioxus) Urochordés (Ciona intestinalis) Cambrian CRANIATES (-480 Ma) 500 Myxiniformes (Hagfish) Ordovician Chondrichthyes (requins,…) Osteichthyes (poissons osseux) Silurian Paleozoic 400 Devonian Sarcopterygiens Actinoptérygiens Tetrapodes Teleostéens Acipenseriformes (esturgeons,…) Coelacanthimorpha Carboniferous Duplication  300 Permian Percomorphes Triassic 200 Oiseaux Jurassic Mezozoic Cypriniformes Mammifères Cretaceous Tetraodontiformes 100 Cenozoic 0 Mus musculus Homo sapiens Gallus gallus Gasterosteus aculeatus Tetraodon nigroviridis Takifugu rubripes Danio rerio

  22. 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 « An ancient crossopterygian fish, which served as direct ancestor of mammals, already attained the characteristic DNA content [of mammals] by a secondtetraploidisation before coming on land to live» S. Ohno et al. (1968) Heredity 59(1):169-187 Susumu Ohno 1928-2002 « 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.

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

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

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

  26. 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

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

  28. Chromosomes ancestraux des craniates      

  29. Classification des vertébrés Cephalochordés (Amphioxus) Urochordés (Ciona intestinalis) Cambrian 500 CRANIATES (-480 Ma) Myxiniformes (Hagfish) Ordovician Chondrichthyes (requins,…) Osteichthyes (poissons osseux) Silurian Paleozoic 400 Devonian Sarcopterygiens Actinoptérygiens Tetrapodes Teleostéens Acipenseriformes (esturgeons,…) Coelacanthimorpha Carboniferous Duplication  300 Permian Percomorphes Triassic 200 Oiseaux Jurassic Mezozoic Cypriniformes Mammifères Cretaceous Tetraodontiformes 100 Cenozoic 0 Mus musculus Homo sapiens Gallus gallus Gasterosteus aculeatus Tetraodon nigroviridis Takifugu rubripes Danio rerio

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

  31. 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

  32. 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

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