Les nouvelles preuves de l’évolution: y accéder en classe PO 422

1. Les nouvelles preuves de l’évolution: y accéder en classePO 422 Phylogénétique

2. 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 ? Phylogénétique

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

4. 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…) Phylogénétique

5. Phylogénétique

6. 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 !) Phylogénétique

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

8. Comment construire des arbres phylogénétiques sur la base des séquences des protéines… Phylogénétique

9. Actin-related protein 2 ARP2_A MESAP---IVLDNGTGFVKVGYAKDNFPRFQFPSIVGRPILRAEEKTGNVQIKDVMVGDE ARP2_B MDSQGRKVIVVDNGTGFVKCGYAGTNFPAHIFPSMVGRPIVRSTQRVGNIEIKDLMVGEE ARP2_C MDSQGRKVVVCDNGTGFVKCGYAGSNFPEHIFPALVGRPIIRSTTKVGNIEIKDLMVGDE ARP2_D MDSQGRKVVVCDNGTGFVKCGYAGSNFPEHIFPALVGRPIIRSTTKVGNIEIKDLMVGDE ARP2_E MDSKGRNVIVCDNGTGFVKCGYAGSNFPTHIFPSMVGRPMIRAVNKIGDIEVKDLMVGDE *:* :* ******** *** *** . **::****::*: . *::::**:***:* Les différentes espèces sont: Caenorhabditis briggsae Drosophila melanogaster Homo sapiens Mus musculus Schizosaccharomyces pombe Quelle séquence ‘appartient’ à quelle espèce ? ? Phylogénétique

10. 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 • ********:* *************:*** ****::*****:*** .************:* Phylogénétique

11. 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 Phylogénétique

12. Le principe • 1. Sélection: set de séquences de protéines ‘homologues’ • 2. Comparaison: alignement multiple • 3. Construction de l’arbre: ‘calculer les différences’ Phylogénétique

13. Le principe • Sélection: set de séquences de protéines ‘homologues’ • Comparaison: alignement multiple • Construction de l’arbre: ‘calculer les différences’ Phylogénétique

14. PhiloPhylo Phylogénétique

15. www.uniprot.org • ‘query’ par nom de protéines ou nom de gènes Utiliser http://www.uniprot.org/ Exemples: http://education.expasy.org/cours/FLO/Liste_prot_evol.html • Blast Utiliser http://www.expasy.org/tools/blast/ ou le Blast@UniProt Phylogénétique

16. Scénario 5: www.uniprot.org Phylogénétique

17. www.uniprot.org (query ‘insulin’) Phylogénétique

18. Protein and gene nameS www.uniprot.org/ query FOLH1 Phylogénétique

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

20. Le principe • Sélection: set de séquences de protéines ‘homologues’ • Comparaison: alignement multiple • Construction de l’arbre: ‘calculer les différences’ Phylogénétique

21. PhiloPhylo Phylogénétique

22. Alignement multiple des séquences en acides aminés de l’insuline de différentes espèces www.uniprot.org (query ‘insulin’, align) Phylogénétique

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

24. 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. Phylogénétique

25. http://www3.interscience.wiley.com/cgi-bin/fulltext/117981248/HTMLSTARThttp://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). Phylogénétique

26. On ne peut pas ‘muter’ n’importe quoi…. Peptide signal Hélice alpha Hélice alpha Phylogénétique

27. Propriétés physico-chimiques des différents acides aminés Tiny OH G Hydrophilic P A Aliphatic C Charged S L I Hydrophobic V T NH2 Y F M W R D N H E Q K Aromatic Positive Negative Phylogénétique

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

29. 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 Phylogénétique

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

31. Le principe • Sélection: set de séquences de protéines ‘homologues’ • Comparaison: alignement multiple • Construction de l’arbre: ‘calculer les différences’ Phylogénétique

32. Un arbre phylogénétique est un modèle qui décrit les relations entre des unités taxonomiques Phylogénétique

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

34. www.phylogeny.fr • Introduire le set de séquences sélectionnées à www.uniprot.org (format ‘fasta’) • Utiliser les paramètres par défaut (‘one’ click) Phylogénétique

35. www.phylogeny.fr Phylogénétique

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

37. Les différents types d’arbres (1) Phylogénétique

38. Arbres (cladogrammes) B C D E F G A B C D E F G A End nodes Internal nodes Branches Roots Phylogénétique

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

40. Combien d’arbres différents ?

41. Les différents types d’arbres (2) Phylogénétique

42. Arbres phylogénétiques • Cladogramme • Phylogramme Qui est le cousin de qui ? La 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)

43. 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 Phylogénétique

44. Exemple de phylogramme obtenu à partir de l’analyse bioinformatique de l’alignement multiple des séquences d’insuline - Quelle protéine a évolué plus rapidement ? Echelle: ‘expected number of changes per site’ Le temps qui s’écoule….

45. Exemple de phylogramme obtenu à partir de l’analyse bioinformatique de l’alignement multiple des séquences d’insuline L’insuline de la carpe a ‘évolué’ (moins de changements dans sa séquences en acides aminés) moins rapidement que l’insuline des autres espèces… Probabilité que l’arbre ait la bonne configuration à chaque embranchement (> 0.95: OK) Le temps qui s’écoule…. Phylogénétique

46. Les embranchements • Spéciation • Duplication de gènes Phylogénétique

47. Spéciation et duplication de gène Frog gene A speciation Orthologs Human gene A speciation Mouse gene A Gene duplication Paralogs Mouse gene B Homologs speciation Ancestral gene Human gene B Orthologs speciation Frog gene B Drosophila gene AB Phylogénétique

48. Spéciation et duplication de gène Duplication ins1 – ins 2 Spéciation rat - souris Phylogénétique

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

50. A vous de jouer… Phylogénétique