Complex genetics in idiopathic hypogonadotropic hypogonadism.

Idiopathic hypogonadotropic hypogonadism (IHH) is an important human disease model. Investigations of the genetics of IHH have facilitated insights into critical pathways regulating sexual maturation and fertility. IHH has been traditionally considered a monogenic disorder. This model holds that a single gene defect is responsible for the disease in each patient. In the case of IHH, 30% of cases are explained by mutations in one of eleven genes. In recent years, several lines of evidence have challenged the monogenic paradigm in IHH. First, disease-associated mutations display striking incomplete penetrance and variable expressivity within and across IHH families. Second, each locus is responsible for only a small percentage of cases. Third, more than one disease-associated mutation seems to be segregating in some families with IHH, and their combined or separate presence in individuals accounts for the variability in disease severity. Finally, IHH is not strictly a congenital and life-long disorder; occasionally it manifests itself during adulthood (adult-onset IHH); in other cases, the disease is not permanent, as evidenced by normal activity of the hypothalamic-pituitary-gonadal axis after discontinuation of treatment in adulthood (IHH reversal). Together, these observations suggest that IHH is not strictly a monogenic mendelian disease, as previously thought. Rather, it is emerging as a digenic, and potentially oligogenic disease, in which hormonal and/or environmental factors may critically influence genetic predisposition and clinical course. Future investigations of IHH should characterize the extent of the involvement of multiple genes in disease pathogenesis, and elucidate the contributions of epigenetic factors.

Genetics of colouration in birds.

Establishing the links between phenotype and genotype is of great importance for resolving key questions about the evolution, maintenance and adaptive function of phenotypic variation. Bird colouration is one of the most studied systems to investigate the role of natural and sexual selection in the evolution of phenotypic diversity. Given the recent advances in molecular tools that allow discovering genetic polymorphisms and measuring gene and protein expression levels, it is timely to review the literature on the genetics of bird colouration. The present study shows that melanin-based colour phenotypes are often associated with mutations at melanogenic genes. Differences in melanin-based colouration are caused by switches of eumelanin to pheomelanin production or by changes in feather keratin structure, melanoblast migration and differentiation, as well as melanosome structure. Similar associations with other types of colourations are difficult to establish, because our knowledge about the molecular genetics of carotenoid-based and structural colouration is quasi inexistent. This discrepancy stems from the fact that only melanin-based colouration shows pronounced heritability estimates, i.e. the resemblance between related individuals is usually mainly explained by genetic factors. In contrast, the expression of carotenoid-based colouration is phenotypically plastic with a high sensitivity to variation in environmental conditions. It therefore appears that melanin-based colour traits are prime systems to understand the genetic basis of phenotypic variation. In this context, birds have a great potential to bring us to new frontiers where many exciting discoveries will be made on the genetics of phenotypic traits, such as colouration. In this context, a major goal of our review is to suggest a number of exciting future avenues.

Molecular genetics of charcot-marie-tooth disease: from genes to genomes.

Charcot-Marie-Tooth disease (CMT) is a heterogeneous group of disorders of the peripheral nervous system, mainly characterized by distal muscle weakness and atrophy leading to motor handicap. With an estimated prevalence of 1 in 2,500, this condition is one of the most commonly inherited neurological disorders. Mutations in more than 30 genes affecting glial and/or neuronal functions have been associated with different forms of CMT leading to a substantial improvement in diagnostics of the disease and in the understanding of implicated pathophysiological mechanisms. However, recent data from systematic genetic screening performed in large cohorts of CMT patients indicated that molecular diagnosis could be established only in ∼50-70% of them, suggesting that additional genes are involved in this disease. In addition to providing an overview of genetic and functional data concerning various CMT forms, this review focuses on recent data generated through the use of highly parallel genetic technologies (SNP chips, sequence capture and next-generation DNA sequencing) in CMT families, and the current and future impact of these technologies on gene discovery and diagnostics of CMTs.

Genetics of calcium homeostasis in humans: continuum between monogenic diseases and continuous phenotypes

Extracellular calcium participates in several key physiological functions, such as control of blood coagulation, bone calcification or muscle contraction. Calcium homeostasis in humans is regulated in part by genetic factors, as illustrated by rare monogenic diseases characterized by hypo or hypercalcaemia. Both serum calcium and urinary calcium excretion are heritable continuous traits in humans. Serum calcium levels are tightly regulated by two main hormonal systems, i.e. parathyroid hormone and vitamin D, which are themselves also influenced by genetic factors. Recent technological advances in molecular biology allow for the screening of the human genome at an unprecedented level of detail and using hypothesis-free approaches, such as genome-wide association studies (GWAS). GWAS identified novel loci for calcium-related phenotypes (i.e. serum calcium and 25-OH vitamin D) that shed new light on the biology of calcium in humans. The substantial overlap (i.e. CYP24A1, CASR, GATA3; CYP2R1) between genes involved in rare monogenic diseases and genes located within loci identified in GWAS suggests a genetic and phenotypic continuum between monogenic diseases of calcium homeostasis and slight disturbances of calcium homeostasis in the general population. Future studies using whole-exome and whole-genome sequencing will further advance our understanding of the genetic architecture of calcium homeostasis in humans. These findings will likely provide new insight into the complex mechanisms involved in calcium homeostasis and hopefully lead to novel preventive and therapeutic approaches. Keyword: calcium, monogenic, genome-wide association studies, genetics.

Genetics of cadmium hyperaccumulation variance in Thlaspi caerulescens natural populations from Switzerland

SUMMARY Heavy metal presence in the environment is a serious concern since some of them can be toxic to plants, animals and humans once accumulated along the food chain. Cadmium (Cd) is one of the most toxic heavy metal. It is naturally present in soils at various levels and its concentration can be increased by human activities. Several plants however have naturally developed strategies allowing them to grow on heavy metal enriched soils. One of them consists in the accumulation and sequestration of heavy metals in the above-ground biomass. Some plants present in addition an extreme strategy by which they accumulate a limited number of heavy metals in their shoots in amounts 100 times superior to those expected for a non-accumulating plant in the same conditions. Understanding the genetic basis of the hyperaccumulation trait - particularly for Cd - remains an important challenge which may lead to biotechnological applications in the soil phytoremediation. In this thesis, Thlaspi caerulescens J. & C. Presl (Brassicaceae) was used as a model plant to study the Cd hyperaccumulation trait, owing to its physiological and genetic characteristics. Twenty-four wild populations were sampled in different regions of Switzerland. They were characterized for environmental and soil parameters as well as intrinsic characteristics of plants (i.e. metal concentrations in shoots). They were as well genetically characterized by AFLPs, plastid DNA polymorphism and genes markers (CAPS and microsatellites) mainly developed in this thesis. Some of the investigated genes were putatively linked to the Cd hyperaccumulation trait. Since the study of the Cd hyperaccumulation in the field is important as it allows the identification of patterns of selection, the present work offered a methodology to define the Cd hyperaccumulation capacity of populations from different habitats permitting thus their comparison in the field. We showed that Cd, Zn, Fe and Cu accumulations were linked and that populations with higher Cd hyperaccumulation capacity had higher shoot and reproductive fitness. Using our genetic data, statistical methods (Beaumont & Nichols's procedure, partial Mantel tests) were applied to identify genomic signatures of natural selection related to the Cd hyperaccumulation capacity. A significant genetic difference between populations related to their Cd hyperaccumulation capacity was revealed based on somè specific markers (AFLP and candidate genes). Polymorphism at the gene encoding IRTl (Iron-transporter also participating to the transport of Zn) was suggested as explaining part of the variation in Cd hyperaccumulation capacity of populations supporting previous physiological investigations. RÉSUMÉ La présence de métaux lourds dans l'environnement est un phénomène préoccupant. En effet, certains métaux lourds - comme le cadmium (Cd) -sont toxiques pour les plantes, les animaux et enfin, accumulés le long de la chaîne alimentaire, pour les hommes. Le Cd est naturellement présent dans le sol et sa concentration peut être accrue par différentes activités humaines. Certaines plantes ont cependant développé des stratégies leur permettant de pousser sur des sols contaminés en métaux lourds. Parmi elles, certaines accumulent et séquestrent les métaux lourds dans leurs parties aériennes. D`autres présentent une stratégie encore plus extrême. Elles accumulent un nombre limité de métaux lourds en quantités 100 fois supérieures à celles attendues pour des espèces non-accumulatrices sous de mêmes conditions. La compréhension des bases génétiques de l'hyperaccumulation -particulièrement celle du Cd - représente un défi important avec des applications concrètes en biotechnologies, tout particulièrement dans le but appliqué de la phytoremediation des sols contaminés. Dans cette thèse, Thlaspi caerulescens J. & C. Presl (Brassicaceae) a été utilisé comme modèle pour l'étude de l'hyperaccumulation du Cd de par ses caractéristiques physiologiques et génétiques. Vingt-quatre populations naturelles ont été échantillonnées en Suisse et pour chacune d'elles les paramètres environnementaux, pédologique et les caractéristiques intrinsèques aux plantes (concentrations en métaux lourds) ont été déterminés. Les populations ont été caractérisées génétiquement par des AFLP, des marqueurs chloroplastiques et des marqueurs de gènes spécifiques, particulièrement ceux potentiellement liés à l'hyperaccumulation du Cd (CAPS et microsatellites). La plupart ont été développés au cours de cette thèse. L'étude de l'hyperaccumulation du Cd en conditions naturelles est importante car elle permet d'identifier la marque, éventuelle de sélection naturelle. Ce travail offre ainsi une méthodologie pour définir et comparer la capacité des populations à hyperaccumuler le Cd dans différents habitats. Nous avons montré que les accumulations du Cd, Zn, Fe et Cu sont liées et que les populations ayant une grande capacité d'hyperaccumuler le Cd ont également une meilleure fitness végétative et reproductive. Des méthodes statistiques (l'approche de Beaumont & Nichols, tests de Martel partiels) ont été utilisées sur les données génétiques pour identifier la signature génomique de la sélection naturelle liée à la capacité d'hyperaccumuler le Cd. Une différenciation génétique des populations liée à leur capacité d'hyperaccumuler le Cd a été mise en évidence sur certains marqueurs spécifiques. En accord avec les études physiologiques connues, le polymorphisme au gène codant IRT1 (un transporteur de Fe impliqué dans le transport du Zn) pourrait expliquer une partie de la variance de la capacité des populations à hyperaccumuler le Cd.

Impact of social structure variation on population genetics, social conflicts and life histories in ants

Summary The evolution of social structures and breeding systems in animals is a complex process that combines ecological, genetical and social factors. This thesis sheds light on important changes in population genetics, life-history and social behavior that are associated with variation in social structure in ants. The socially polymorphic ant Formica selysi was chosen as the model organism because single- and multiple-queen colonies occur in close proximity within a single large population. The shift from single- to multiple-queen colonies is generally associated with profound changes in dispersal behavior and mode of colony founding. In chapter 1, we examine the genetic consequences of variation in social structure at both the colony and population levels. A detailed microsatellite analysis reveals that both colony types have similar mating systems, with few or no queen turnover. Furthermore, the complete lack of genetic differentiation observed between single- and multiple-queen colonies provides no support to the hypothesis that change in queen number leads to restricted gene flow between social forms. Besides changes in the genetic composition of the colony, the variation in the number of queens per colony is associated with changes in a network of behavioral and life-history traits that have been described as forming a "polygyny syndrome". In chapter 2, we demonstrate that multiple-queen colonies profoundly differ from single-queen ones in terms of size, nest density and lifespan of colonies, in weight of queens produced, as well as in allocation to reproductive individuals relative to workers. These multifaceted changes in life-history traits can provide various fitness benefits to members of multiple-queen colonies. Increasing the number of queens in a colony usually results in a decreased level of aggression towards non-nestmates. The phenotype matching hypothesis predicts that, compared to single-queen colonies, multiple-queen colonies have more diverse genetically-derived cues used for recognition, resulting in a lower ability to discriminate non-nestmates. In sharp contrast to this hypothesis, we show in chapter 3 that single- and multiple-queen colonies exhibit on average similar levels of aggression. Moreover, stronger aggression is recorded between colonies of different social structure than between colonies of the same social structure. Several hypotheses propose that the evolution of multiple-queen colonies is at least partly due to benefits resulting from an increase in colony genetic diversity. The task-efficiency hypothesis holds that genetic variation improves task performance due to a more complete or more sensitive expression of the genetically-based division of labor. In .chapter 4, we evaluate if higher colony genetic diversity increases worker size polymorphism and thus may improve division of labor. We show that despite the fact that worker size has a heritable component, higher levels of genetic diversity do not result in more polymorphic workers. The smaller size and lower polymorphism levels of workers of multiple-queen colonies compared to single-queen ones further indicate that an increase in colony genetic diversity does not increase worker size polymorphism but might improve colony homeostasis. In chapter 5, we provide clear evidence for an ongoing conflict between queens and workers on sex allocation, as predicted by kin selection theory. Our data show that queens of F. selysi strongly influence colony sex allocation by biasing the sex ratio of their eggs. However, there is also evidence that workers eliminated some male brood, resulting in a population sex-investment ratio that is between the queens' and workers' equilibria. Résumé L'évolution des structures sociales et systèmes d'accouplement chez les animaux est un processus complexe combinant à la fois des facteurs écologiques, génétiques et sociaux. Cette thèse met en lumière des changements importants dans la génétique des populations, les traits d'histoire de vie et les comportements sociaux qui sont associés à des variations de structure sociale chez les fourmis. Durant ce travail, nous avons étudié une population de Formica selysi composée à la fois de colonies à une reine et de colonies à plusieurs reines. La transition de colonie à une reine à colonie à plusieurs reines est généralement associée à des changements profonds dans le comportement de dispersion ainsi que le mode de fondation des sociétés. Dans le chapitre 1, nous examinons les conséquences génétiques de la variation de structure sociale tant au niveau de la colonie qu'au niveau de la population. Une analyse détaillée à l'aide de marqueurs microsatellites nous révèle que les deux types de colonies ont des systèmes d'accouplements similaires avec peu ou pas de renouvellement de reines. L'absence totale de différenciation génétique entre les colonies à une et à plusieurs reines n'apporte aucun support à l'hypothèse selon laquelle un changement dans le nombre de reines conduit à un flux de gènes restreint entre les deux formes sociales. A côté de changements dans la composition génétique de la colonie, la variation du nombre de reines dans une colonie est associée à une multitude de changements comportementaux et de traits d'histoire de vie qui ont été décrits comme formant un "syndrome polygyne". Dans le chapitre 2, nous démontrons que les colonies à plusieurs reines diffèrent profondément des colonies à une reine en terme de taille, densité de nids, longévité des colonies, poids des nouvelles reines produites ainsi que dans l'allocation entre les individus reproducteurs et les ouvrières. Ces changements multiples dans les traits d'histoire de vie peuvent apporter des bénéfices variés en terme de fitness aux colonies à plusieurs reines. L'augmentation du nombre de reines dans une colonie est généralement associée à une baisse du degré d'agressivité envers les fourmis étrangères au nid. L'hypothèse "phénotype matching" prédit que les colonies à plusieurs reines ont une plus grande diversité dans les facteurs d'origine génétique utilisés pour la reconnaissance, résultant en une capacité diminuée à discriminer une fourmi étrangère au nid. Contrairement à cette hypothèse, nous montrons dans le chapitre 3 que les colonies à une et à plusieurs reines ont des niveaux d'agressivité similaires. De plus, une agressivité accrue est observée entre colonies de structures sociales différentes comparée à des colonies de même structure sociale. Plusieurs hypothèses ont proposé que l'évolution de colonies ä plusieurs reines soit en partie due aux bénéfices résultant d'une augmentation de la diversité génétique dans la colonie. L'hypothèse "task efficiency" prédit que la diversité génétique améliore l'efficacité à effectuer certaines tâches grâce à une expression plus complète et plus souple d'une division du travail génétiquement déterminée. Nous évaluons dans le chapitre 4 si un accroissement de la diversité génétique augmente le polymorphisme de taille des ouvrières, d'où peut ainsi découler une meilleure division du travail. Nous montrons qu'en dépit du fait que la taille des ouvrières soit un caractère héritable, une forte diversité génétique ne se traduit pas par un plus fort polymorphisme chez les ouvrières. Les ouvrières de colonies à plusieurs reines sont plus petites et moins polymorphes que celles des colonies à une seule reine. Dans le chapitre 5, nous démontrons l'existence d'un conflit ouvert entre reines et ouvrières à propos de l'allocation dans les sexes, comme le prédit la théorie de la sélection de parentèle. Nos données révèlent que les reines de F. selysi influencent fortement l'allocation dans les sexes en biaisant la sexe ratio des oeufs. Cependant, certains indices indiquent que les ouvrières éliminent une partie du couvain mâle, ce qui a pour effet d'avoir un investissement dans les sexes au niveau de la population intermédiaire entre les intérêts des reines et des ouvrières.

Genetics for clinicians: from candidate genes to whole genome scans (technological advances).

Human genetics has progressed at an unprecedented pace during the past 10 years. DNA microarrays currently allow screening of the entire human genome with high level of coverage and we are now entering the era of high-throughput sequencing. These remarkable technical advances are influencing the way medical research is conducted and have boosted our understanding of the structure of the human genome as well as of disease biology. In this context, it is crucial for clinicians to understand the main concepts and limitations of modern genetics. This review will describe key concepts in genetics, including the different types of genetic markers in the human genome, review current methods to detect DNA variation, describe major online public databases in genetics, explain key concepts in statistical genetics and finally present commonly used study designs in clinical and epidemiological research. This review will therefore concentrate on human genetic variation analysis.

Constant p53 pathway inactivation in a large series of soft tissue sarcomas with complex genetics.

Alterations of the p53 pathway are among the most frequent aberrations observed in human cancers. We have performed an exhaustive analysis of TP53, p14, p15, and p16 status in a large series of 143 soft tissue sarcomas, rare tumors accounting for around 1% of all adult cancers, with complex genetics. For this purpose, we performed genomic studies, combining sequencing, copy number assessment, and expression analyses. TP53 mutations and deletions are more frequent in leiomyosarcomas than in undifferentiated pleomorphic sarcomas. Moreover, 50% of leiomyosarcomas present TP53 biallelic inactivation, whereas most undifferentiated pleomorphic sarcomas retain one wild-type TP53 allele (87.2%). The spectrum of mutations between these two groups of sarcomas is different, particularly with a higher rate of complex mutations in undifferentiated pleomorphic sarcomas. Most tumors without TP53 alteration exhibit a deletion of p14 and/or lack of mRNA expression, suggesting that p14 loss could be an alternative genotype for direct TP53 inactivation. Nevertheless, the fact that even in tumors altered for TP53, we could not detect p14 protein suggests that other p14 functions, independent of p53, could be implicated in sarcoma oncogenesis. In addition, both p15 and p16 are frequently codeleted or transcriptionally co-inhibited with p14, essentially in tumors with two wild-type TP53 alleles. Conversely, in TP53-altered tumors, p15 and p16 are well expressed, a feature not incompatible with an oncogenic process.

Adaptation and the genetics of social behaviour.

In recent years much progress has been made towards understanding the selective forces involved in the evolution of social behaviour including conflicts over reproduction among group members. Here, I argue that an important additional step necessary for advancing our understanding of the resolution of potential conflicts within insect societies is to consider the genetics of the behaviours involved. First, I discuss how epigenetic modifications of behaviour may affect conflict resolution within groups. Second, I review known natural polymorphisms of social organization to demonstrate that a lack of consideration of the genetic mechanisms involved may lead to erroneous explanations of the adaptive significance of behaviour. Third, I suggest that, on the basis of recent genetic studies of sexual conflict in Drosophila, it is necessary to reconsider the possibility of within-group manipulation by means of chemical substances (i.e. pheromones). Fourth, I address the issue of direct versus indirect genetic effects, which is of particular importance for the study of behaviour in social groups. Fifth, I discuss the issue of how a genetic influence on dominance hierarchies and reproductive division of labour can have secondary effects, for example in the evolution of promiscuity. Finally, because the same sets of genes (e.g. those implicated in chemical signalling and the responses that are triggered) may be used even in species as divergent as ants, cooperative breeding birds and primates, an integration of genetic mechanisms into the field of social evolution may also provide unifying ideas.

Genetics of essential tremor.

Essential tremor (ET) is a prevalent condition manifesting with progressive action tremor. Although ET was traditionally viewed as a sporadic disease, a significant proportion of cases report a positive family history of tremor. Autosomal dominant inheritance can be demonstrated in many families. Previously, genome-wide linkage studies in families mapped three loci for ET, hereditary essential tremor-1 (ETM1), ETM2 and ETM3. However, no causal mutation has been replicated in candidate genes within these loci, including dopamine D3 receptor (DRD3) and HS1-binding protein 3 (HS1BP3). Recently, the first genome-wide association study in ET followed by replication studies conducted in diverse populations identified a significant association between the leucine-rich repeat and Ig domain containing 1 gene (LINGO1) SNP rs9652490 and risk for ET Although further novel variants were indentified in LINGO1 and its paralog LINGO2 that may be associated with risk for ET, the pathogenic mechanisms involved remain elusive. Given the possibility that ET as a complex trait may be influenced by the combined effects of rare variants, novel high-throughput technologies sequencing all exons across the genome (exome sequencing) or the whole genome (genome sequencing) may become crucial in understanding/deciphering the genetic background of ET.

Analysis of susceptibility to human immunodeficiency virus 1 (HIV-1) by comparative genetics

Summary [résumé français voir ci-dessous] From the beginning of the 20th century the world population has been confronted with the human immune deficiency virus 1 (HIV-1). This virus has the particularity to mutate fast, and could thus evade and adapt to the human host. Our closest evolutionary related organisms, the non-human primates, are less susceptible to HIV-1. In a broader sense, primates are differentially susceptible to various retrovirus. Species specificity may be due to genetic differences among primates. In the present study we applied evolutionary and comparative genetic techniques to characterize the evolutionary pattern of host cellular determinants of HIV-1 pathogenesis. The study of the evolution of genes coding for proteins participating to the restriction or pathogenesis of HIV-1 may help understanding the genetic basis of modern human susceptibility to infection. To perform comparative genetics analysis, we constituted a collection of primate DNA and RNA to allow generation of de novo sequence of gene orthologs. More recently, release to the public domain of two new primate complete genomes (bornean orang-utan and common marmoset) in addition of the three previously available genomes (human, chimpanzee and Rhesus monkey) help scaling up the evolutionary and comparative genome analysis. Sequence analysis used phylogenetic and statistical methods for detecting molecular adaptation. We identified different selective pressures acting on host proteins involved in HIV-1 pathogenesis. Proteins with HIV-1 restriction properties in non-human primates were under strong positive selection, in particular in regions of interaction with viral proteins. These regions carried key residues for the antiviral activity. Proteins of the innate immunity presented an evolutionary pattern of conservation (purifying selection) but with signals of relaxed constrain if we compared them to the average profile of purifying selection of the primate genomes. Large scale analysis resulted in patterns of evolutionary pressures according to molecular function, biological process and cellular distribution. The data generated by various analyses served to guide the ancestral reconstruction of TRIM5a a potent antiviral host factor. The resurrected TRIM5a from the common ancestor of Old world monkeys was effective against HIV-1 and the recent resurrected hominoid variants were more effective against other retrovirus. Thus, as the result of trade-offs in the ability to restrict different retrovirus, human might have been exposed to HIV-1 at a time when TRIM5a lacked the appropriate specific restriction activity. The application of evolutionary and comparative genetic tools should be considered for the systematical assessment of host proteins relevant in viral pathogenesis, and to guide biological and functional studies. Résumé La population mondiale est confrontée depuis le début du vingtième siècle au virus de l'immunodéficience humaine 1 (VIH-1). Ce virus a un taux de mutation particulièrement élevé, il peut donc s'évader et s'adapter très efficacement à son hôte. Les organismes évolutivement le plus proches de l'homme les primates nonhumains sont moins susceptibles au VIH-1. De façon générale, les primates répondent différemment aux rétrovirus. Cette spécificité entre espèces doit résider dans les différences génétiques entre primates. Dans cette étude nous avons appliqué des techniques d'évolution et de génétique comparative pour caractériser le modèle évolutif des déterminants cellulaires impliqués dans la pathogenèse du VIH- 1. L'étude de l'évolution des gènes, codant pour des protéines impliquées dans la restriction ou la pathogenèse du VIH-1, aidera à la compréhension des bases génétiques ayant récemment rendu l'homme susceptible. Pour les analyses de génétique comparative, nous avons constitué une collection d'ADN et d'ARN de primates dans le but d'obtenir des nouvelles séquences de gènes orthologues. Récemment deux nouveaux génomes complets ont été publiés (l'orang-outan du Bornéo et Marmoset commun) en plus des trois génomes déjà disponibles (humain, chimpanzé, macaque rhésus). Ceci a permis d'améliorer considérablement l'étendue de l'analyse. Pour détecter l'adaptation moléculaire nous avons analysé les séquences à l'aide de méthodes phylogénétiques et statistiques. Nous avons identifié différentes pressions de sélection agissant sur les protéines impliquées dans la pathogenèse du VIH-1. Des protéines avec des propriétés de restriction du VIH-1 dans les primates non-humains présentent un taux particulièrement haut de remplacement d'acides aminés (sélection positive). En particulier dans les régions d'interaction avec les protéines virales. Ces régions incluent des acides aminés clé pour l'activité de restriction. Les protéines appartenant à l'immunité inné présentent un modèle d'évolution de conservation (sélection purifiante) mais avec des traces de "relaxation" comparé au profil général de sélection purifiante du génome des primates. Une analyse à grande échelle a permis de classifier les modèles de pression évolutive selon leur fonction moléculaire, processus biologique et distribution cellulaire. Les données générées par les différentes analyses ont permis la reconstruction ancestrale de TRIM5a, un puissant facteur antiretroviral. Le TRIM5a ressuscité, correspondant à l'ancêtre commun entre les grands singes et les groupe des catarrhiniens, est efficace contre le VIH-1 moderne. Les TRIM5a ressuscités plus récents, correspondant aux ancêtres des grands singes, sont plus efficaces contre d'autres rétrovirus. Ainsi, trouver un compromis dans la capacité de restreindre différents rétrovirus, l'homme aurait été exposé au VIH-1 à une période où TRIM5a manquait d'activité de restriction spécifique contre celui-ci. L'application de techniques d'évolution et de génétique comparative devraient être considérées pour l'évaluation systématique de protéines impliquées dans la pathogenèse virale, ainsi que pour guider des études biologiques et fonctionnelles

Evolutionary genetics of arbuscular mycorrhizal fungi - causes and consequences of multiple genomes in Glomus intraradices

Résumé Les champignons endomycorhiziens arbusculaires (CEA) forment des symbioses avec la plupart des plantes terrestres. Les CEA influencent la croissance des plantes et la biodiversité. Ils sont supposés avoir évolué de manière asexuée pendant au moins 400 millions d'années et aucune diversification morphologique majeure n'a été constatée. Pour ces raisons, les CEA sont considérés comme d'anciens asexués. Très peu d'espèces sont connues actuellement. Les individus de ces champignons contiennent des noyaux génétiquement différents dans un cytoplasme continu. La signification évolutive, la variabilité et la maintenance des génomes multiples au sein des individus sont inconnues. Ce travail a démontré qu'une population du CEA Glomus intraradices est génétiquement très variable. Nous avons conclu que les plantes hôtes plutôt que la différenciation géographique devraient être responsables de cette grande diversité. Puis nous avons cherché l'existence de recombinaison entre génotypes dans une population. Nous avons détecté un groupe recombinant au sein de la population, ce qui met en doute l'état d'anciens asexués des CEA. Nous avons également détecté l'occurrence de fusions d'hyphes et l'échange de noyaux entre isolats génétiquement différents. La descendance hybride issue de cet échange était viable et distincte phénotypiquement des isolats parentaux. En résumé, ce travail identifie des événements cruciaux dans le cycle de vie des CEA qui ont le potentiel d'influencer l'évolution de génomes multiples. L'étude des conséquences de ces événements sur les interactions avec les plantes hôtes pourrait éclaircir significativement la compréhension de la symbiose entre plantes et CEA. Abstract Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) are important symbionts of most land plants. AMF influence plant growth and biodiversity. Very few extant species are described. AMF are thought to have evolved asexually for at least 400 million years and no major morphological diversification has occurred. Due to these reasons, they were termed `ancient asexuals'. Fungal individuals harbour genetically different nuclei in a continuous cytoplasm. The variability, maintenance and evolutionary significance of multiple genomes within individuals are unknown. This work showed that a population of the AMF Glomus intraradices harbours very high genetic diversity. We concluded that host plants rather than geographic differentiation were responsible for this diversity. Furthermore, we investigated whether recombination occurred among genotypes of a G. intraradices population. The identification of a core group of recombining genotypes in the population refutes the assumption of ancient asexuality in AMF. We found that genetically different isolates can form hyphal fusions and exchange nuclei. The hybrid progeny produced by the exchange was viable and phenotypically distinct from the parental isolates. Taken together, this work provided evidence for key events in the AMF life cycle, that influence the evolution of multiple genomes. Studying the consequences of these events on the interaction with host plants may significantly further the understanding of the AMF-plant symbiosis.

Phylogenetic analyses of C4 photosynthesis evolution in grasses: genetics of convergence and convergence of genes

Summary : During the evolutionary diversification of organisms, similar ecological constraints led to the recurrent appearances of the same traits (phenotypes) in distant lineages, a phenomenon called convergence. In most cases, the genetic origins of the convergent traits remain unknown, but recent studies traced the convergent phenotypes to recurrent alterations of the same gene or, in a few cases, to identical genetic changes. However, these cases remain anecdotal and there is a need for a study system that evolved several times independently and whose genetic determinism is well resolved and straightforward, such as C4 photosynthesis. This adaptation to warm environments, possibly driven by past atmospheric CO2 decreases, consists in a CO2-concentrating pump, created by numerous morphological and biochemical novelties. All genes encoding C4 enzymes already existed in C3 ancestors, and are supposed to have been recruited through gene duplication followed by neo-functionalization, to acquire the cell specific expression pattern and altered kinetic properties that characterize Ca-specific enzymes. These predictions have so far been tested only in species-poor and ecologically marginal C4 dicots. The monocots, and especially the grass family (Poaceae), the most important C4 family in terms of species number, ecological dominance and economical importance, have been largely under-considered as suitable study systems. This thesis aimed at understanding the evolution of the C4 trait in grasses at a molecular level and to use the genetics of C4 photosynthesis to infer the evolutionary history of the C4 phenotype and its driving selective pressures. A molecular phylogeny of grasses and affiliated monocots identified 17 to 18 independent acquisitions of the C4 pathway in the grass family. A relaxed molecular clock was used to date these events and the first C4 evolution was estimated in the Chloridoideae subfamily, between 32-25 million years ago, at a period when atmospheric CO2 abruptly declined. Likelihood models showed that after the COZ decline the probability of evolving the C4 pathway strongly increased, confirming low CO2 as a likely driver of C4 photosynthesis evolution. In order to depict the genetic changes linked to the numerous C4 origins, genes encoding phopshoenolpyruvate carboxylase (PEPC), the key-enzyme responsible for the initial fixation of atmospheric CO2 in the C4 pathway, were isolated from a large sample of C3 and C4 grasses. Phylogenetic analyses were used to reconstruct the evolutionary history of the PEPC multigene family and showed that the evolution of C4-specific PEPC had been driven by positive selection on 21 codons simultaneously in up to eight C4 lineages. These selective pressures led to numerous convergent genetic changes in many different C4 clades, highlighting the repeatability of some evolutionary processes, even at the molecular level. PEPC C4-adaptive changes were traced and used to show multiple appearances of the C, pathway in clades where species tree inferences were unable to differentiate multiple C4 appearances and a single appearance followed by C4 to C3 reversion. Further investigations of genes involved in some of the C4 subtypes only (genes encoding decarboxylating enzymes NADP-malic enzyme and phosphoenolpyruvate carboxykinase) showed that these C4-enzymes also evolved through strong positive selection and underwent parallel genetic changes during the different Ca origins. The adaptive changes on these subtype-specific C4 genes were used to retrace the history of the C4-subtypes phenotypes, which revealed that the evolution of C4-PEPC and C4-decarboxylating enzymes was in several cases disconnected, emphasizing the multiplicity of the C4 trait and the gradual acquisition of the features that create the CO2-pump. Finally, phylogenetic analyses of a gene encoding the Rubisco (the enzyme responsible for the fixation of CO2 into organic compounds in all photosynthetic organisms) showed that C4 evolution switched the selective pressures on this gene. Five codons were recurrently mutated to adapt the enzyme kinetics to the high CO2 concentrations of C4 photosynthetic cells. This knowledge could be used to introgress C4-like Rubisco in C3 crops, which could lead to an increased yield under predicted future high CO2 atmosphere. Globally, the phylogenetic framework adopted during this thesis demonstrated the widespread occurrence of genetic convergence on C4-related enzymes. The genetic traces of C4 photosynthesis evolution allowed reconstructing events that happened during the last 30 million years and proved the usefulness of studying genes directly responsible for phenotype variations when inferring evolutionary history of a given trait. Résumé Durant la diversification évolutive des organismes, des pressions écologiques similaires ont amené à l'apparition récurrente de certains traits (phénotypes) dans des lignées distantes, un phénomène appelé évolution convergente. Dans la plupart des cas, l'origine génétique des traits convergents reste inconnue mais des études récentes ont montré qu'ils étaient dus dans certains cas à des changements répétés du même gène ou, dans de rares cas, à des changements génétiques identiques. Malgré tout, ces cas restent anecdotiques et il y a un réel besoin d'un système d'étude qui ait évolué indépendamment de nombreuses fois et dont le déterminisme génétique soit clairement identifié. La photosynthèse dite en Ça répond à ces critères. Cette adaptation aux environnements chauds, dont l'évolution a pu être encouragé par des baisses passées de la concentration atmosphérique en CO2, est constituée de nombreuses nouveautés morphologiques et biochimiques qui créent une pompe à CO2. La totalité des gènes codant les enzymes Ç4 étaient déjà présents dans les ancêtres C3. Leur recrutement pour la photosynthèse Ç4 est supposé s'être fait par le biais de duplications géniques suivies par une néo-fonctionnalisation pour leur conférer l'expression cellule-spécifique et les propriétés cinétiques qui caractérisent les enzymes C4. Ces prédictions n'ont jusqu'à présent été testées que dans des familles C4 contenant peu d'espèces et ayant un rôle écologique marginal. Les graminées (Poaceae), qui sont la famille C4 la plus importante, tant en termes de nombre d'espèces que de dominance écologique et d'importance économique, ont toujours été considérés comme un système d'étude peu adapté et ont fait le sujet de peu d'investigations évolutives. Le but de cette thèse était de comprendre l'évolution de la photosynthèse en C4 chez les graminées au niveau génétique et d'utiliser les gènes pour inférer l'évolution du phénotype C4 ainsi que les pressions de sélection responsables de son évolution. Une phylogénie moléculaire de la famille des graminées et des monocotylédones apparentés a identifié 17 à 18 acquisitions indépendantes de la photosynthèse chez les graminées. Grâce à une méthode d'horloge moléculaire relâchée, ces évènements ont été datés et la première apparition C4 a été estimée dans la sous-famille des Chloridoideae, il y a 32 à 25 millions d'années, à une période où les concentrations atmosphériques de CO2 ont décliné abruptement. Des modèles de maximum de vraisemblance ont montré qu'à la suite du déclin de CO2, la probabilité d'évoluer la photosynthèse C4 a fortement augmenté, confirmant ainsi qu'une faible concentration de CO2 est une cause potentielle de l'évolution de la photosynthèse C4. Afin d'identifier les mécanismes génétiques responsables des évolutions répétées de la photosynthèse C4, un segment des gènes codant pour la phosphoénolpyruvate carboxylase (PEPC), l'enzyme responsable de la fixation initiale du CO2 atmosphérique chez les plantes C4, ont été séquencés dans une centaine de graminées C3 et C4. Des analyses phylogénétiques ont permis de reconstituer l'histoire évolutive de la famille multigénique des PEPC et ont montré que l'évolution de PEPC spécifiques à la photosynthèse Ça a été causée par de la sélection positive agissant sur 21 codons, et ce simultanément dans huit lignées C4 différentes. Cette sélection positive a conduit à un grand nombre de changements génétiques convergents dans de nombreux clades différents, ce qui illustre la répétabilité de certains phénomènes évolutifs, et ce même au niveau génétique. Les changements sur la PEPC liés au C4 ont été utilisés pour confirmer des évolutions indépendantes du phénotype C4 dans des clades où l'arbre des espèces était incapable de différencier des apparitions indépendantes d'une seule apparition suivie par une réversion de C4 en C3. En considérant des gènes codant des protéines impliquées uniquement dans certains sous-types C4 (deux décarboxylases, l'enzyme malique à NADP et la phosphoénolpyruvate carboxykinase), des études ultérieures ont montré que ces enzymes C4 avaient elles-aussi évolué sous forte sélection positive et subi des changements génétiques parallèles lors des différentes origines de la photosynthèse C4. Les changements adaptatifs sur ces gènes liés seulement à certains sous-types C4 ont été utilisés pour retracer l'histoire des phénotypes de sous-types C4, ce qui a révélé que les caractères formant le trait C4 ont, dans certains cas, évolué de manière déconnectée. Ceci souligne la multiplicité du trait C4 et l'acquisition graduelle de composants participant à la pompe à CO2 qu'est la photosynthèse C4. Finalement, des analyses phylogénétiques des gènes codant pour la Rubisco (l'enzyme responsable de la fixation du CO2 en carbones organiques dans tous les organismes photosynthétiques) ont montré que l'évolution de la photosynthèse Ça a changé les pressions de sélection sur ce gène. Cinq codons ont été mutés de façon répétée afin d'adapter les propriétés cinétiques de la Rubisco aux fortes concentrations de CO2 présentes dans les cellules photosynthétiques des plantes C4. Globalement, l'approche phylogénétique adoptée durant cette thèse de doctorat a permis de démontré des phénomène fréquents de convergence génétique sur les enzymes liées à la photosynthèse C4. Les traces génétiques de l'évolution de la photosynthèse C4 ont permis de reconstituer des évènements qui se sont produits durant les derniers 30 millions d'années et ont prouvé l'utilité d'étudier des gènes directement responsables des variations phénotypiques pour inférer l'histoire évolutive d'un trait donné.