Genomic evidence for role of inversion 3RP of Drosophila melanogaster in facilitating climate change adaptation.

Chromosomal inversion polymorphisms are common in animals and plants, and recent models suggest that alternative arrangements spread by capturing different combinations of alleles acting additively or epistatically to favour local adaptation. It is also thought that inversions typically maintain favoured combinations for a long time by suppressing recombination between alternative chromosomal arrangements. Here, we consider patterns of linkage disequilibrium and genetic divergence in an old inversion polymorphism in Drosophila melanogaster (In(3R)Payne) known to be associated with climate change adaptation and a recent invasion event into Australia. We extracted, karyotyped and sequenced whole chromosomes from two Australian populations, so that changes in the arrangement of the alleles between geographically separated tropical and temperate areas could be compared. Chromosome-wide linkage disequilibrium (LD) analysis revealed strong LD within the region spanned by In(3R)Payne. This genomic region also showed strong differentiation between the tropical and the temperate populations, but no differentiation between different karyotypes from the same population, after controlling for chromosomal arrangement. Patterns of differentiation across the chromosome arm and in gene ontologies were enhanced by the presence of the inversion. These data support the notion that inversions are strongly selected by bringing together combinations of genes, but it is still not clear if such combinations act additively or epistatically. Our data suggest that climatic adaptation through inversions can be dynamic, reflecting changes in the relative abundance of different forms of an inversion and ongoing evolution of allelic content within an inversion.

Évolution de familles de gènes par duplications et pertes : algorithmes pour la correction d’arbres bruités

Les gènes sont les parties du génome qui codent pour les protéines. Les gènes d’une ou plusieurs espèces peuvent être regroupés en "familles", en fonction de leur similarité de séquence. Cependant, pour connaître les relations fonctionnelles entre ces copies de gènes, la similarité de séquence ne suffit pas. Pour cela, il est important d’étudier l’évolution d’une famille par duplications et pertes afin de pouvoir distinguer entre gènes orthologues, des copies ayant évolué par spéciation et susceptibles d’avoir conservé une fonction commune, et gènes paralogues, des copies ayant évolué par duplication qui ont probablement développé des nouvelles fonctions. Étant donnée une famille de gènes présents dans n espèces différentes, un arbre de gènes (obtenu par une méthode phylogénétique classique), et un arbre phylogénétique pour les n espèces, la "réconciliation" est l’approche la plus courante permettant d’inférer une histoire d’évolution de cette famille par duplications, spéciations et pertes. Le degré de confiance accordé à l’histoire inférée est directement relié au degré de confiance accordé à l’arbre de gènes lui-même. Il est donc important de disposer d’une méthode préliminaire de correction d’arbres de gènes. Ce travail introduit une méthodologie permettant de "corriger" un arbre de gènes : supprimer le minimum de feuilles "mal placées" afin d’obtenir un arbre dont les sommets de duplications (inférés par la réconciliation) sont tous des sommets de "duplications apparentes" et obtenir ainsi un arbre de gènes en "accord" avec la phylogénie des espèces. J’introduis un algorithme exact pour des arbres d’une certaine classe, et une heuristique pour le cas général.

Combining molecular evolution and environmental genomics to unravel adaptive processes of MHC class IIB diversity in European minnows (Phoxinus phoxinus)

Host-pathogen interactions are a major evolutionary force promoting local adaptation. Genes of the major histocompatibility complex (MHC) represent unique candidates to investigate evolutionary processes driving local adaptation to parasite communities. The present study aimed at identifying the relative roles of neutral and adaptive processes driving the evolution of MHC class IIB (MHCIIB) genes in natural populations of European minnows (Phoxinus phoxinus). To this end, we isolated and genotyped exon 2 of two MHCIIB gene duplicates (DAB1 and DAB3) and 1665 amplified fragment length polymorphism (AFLP) markers in nine populations, and characterized local bacterial communities by 16S rDNA barcoding using 454 amplicon sequencing. Both MHCIIB loci exhibited signs of historical balancing selection. Whereas genetic differentiation exceeded that of neutral markers at both loci, the populations' genetic diversities were positively correlated with local pathogen diversities only at DAB3. Overall, our results suggest pathogen-mediated local adaptation in European minnows at both MHCIIB loci. While at DAB1 selection appears to favor different alleles among populations, this is only partially the case in DAB3, which appears to be locally adapted to pathogen communities in terms of genetic diversity. These results provide new insights into the importance of host-pathogen interactions in driving local adaptation in the European minnow, and highlight that the importance of adaptive processes driving MHCIIB gene evolution may differ among duplicates within species, presumably as a consequence of alternative selective regimes or different genomic context.

Comparative genomics of chemosensory protein genes reveals rapid evolution and positive selection in ant-specific duplicates.

Gene duplications can have a major role in adaptation, and gene families underlying chemosensation are particularly interesting due to their essential role in chemical recognition of mates, predators and food resources. Social insects add yet another dimension to the study of chemosensory genomics, as the key components of their social life rely on chemical communication. Still, chemosensory gene families are little studied in social insects. Here we annotated chemosensory protein (CSP) genes from seven ant genomes and studied their evolution. The number of functional CSP genes ranges from 11 to 21 depending on species, and the estimated rates of gene birth and death indicate high turnover of genes. Ant CSP genes include seven conservative orthologous groups present in all the ants, and a group of genes that has expanded independently in different ant lineages. Interestingly, the expanded group of genes has a differing mode of evolution from the orthologous groups. The expanded group shows rapid evolution as indicated by a high dN/dS (nonsynonymous to synonymous changes) ratio, several sites under positive selection and many pseudogenes, whereas the genes in the seven orthologous groups evolve slowly under purifying selection and include only one pseudogene. These results show that adaptive changes have played a role in ant CSP evolution. The expanded group of ant-specific genes is phylogenetically close to a conservative orthologous group CSP7, which includes genes known to be involved in ant nestmate recognition, raising an interesting possibility that the expanded CSPs function in ant chemical communication.

Comparative mitochondrial genomics toward understanding genetics and evolution of arbuscular mycorrhizal fungi

Les champignons mycorhiziens arbusculaires (CMA) sont très répandus dans le sol où ils forment des associations symbiotiques avec la majorité des plantes appelées mycorhizes arbusculaires. Le développement des CMA dépend fortement de la plante hôte, de telle sorte qu'ils ne peuvent vivre à l'état saprotrophique, par conséquent ils sont considérés comme des biotrophes obligatoires. Les CMA forment une lignée évolutive basale des champignons et ils appartiennent au phylum Glomeromycota. Leurs mycélia sont formés d’un réseau d’hyphes cénocytiques dans lesquelles les noyaux et les organites cellulaires peuvent se déplacer librement d’un compartiment à l’autre. Les CMA permettent à la plante hôte de bénéficier d'une meilleure nutrition minérale, grâce au réseau d'hyphes extraradiculaires, qui s'étend au-delà de la zone du sol explorée par les racines. Ces hyphes possèdent une grande capacité d'absorption d’éléments nutritifs qui vont être transportés par ceux-ci jusqu’aux racines. De ce fait, les CMA améliorent la croissance des plantes tout en les protégeant des stresses biotiques et abiotiques. Malgré l’importance des CMA, leurs génétique et évolution demeurent peu connues. Leurs études sont ardues à cause de leur mode de vie qui empêche leur culture en absence des plantes hôtes. En plus leur diversité génétique intra-isolat des génomes nucléaires, complique d’avantage ces études, en particulier le développement des marqueurs moléculaires pour des études biologiques, écologiques ainsi que les fonctions des CMA. C’est pour ces raisons que les génomes mitochondriaux offrent des opportunités et alternatives intéressantes pour étudier les CMA. En effet, les génomes mitochondriaux (mt) publiés à date, ne montrent pas de polymorphismes génétique intra-isolats. Cependant, des exceptions peuvent exister. Pour aller de l’avant avec la génomique mitochondriale, nous avons besoin de générer beaucoup de données de séquençages de l’ADN mitochondrial (ADNmt) afin d’étudier les méchanismes évolutifs, la génétique des population, l’écologie des communautés et la fonction des CMA. Dans ce contexte, l’objectif de mon projet de doctorat consiste à: 1) étudier l’évolution des génomes mt en utilisant l’approche de la génomique comparative au niveau des espèces proches, des isolats ainsi que des espèces phylogénétiquement éloignées chez les CMA; 2) étudier l’hérédité génétique des génomes mt au sein des isolats de l’espèce modèle Rhizophagus irregularis par le biais des anastomoses ; 3) étudier l’organisation des ADNmt et les gènes mt pour le développement des marqueurs moléculaires pour des études phylogénétiques. Nous avons utilisé l’approche dite ‘whole genome shotgun’ en pyroséquençage 454 et Illumina HiSeq pour séquencer plusieurs taxons de CMA sélectionnés selon leur importance et leur disponibilité. Les assemblages de novo, le séquençage conventionnel Sanger, l’annotation et la génomique comparative ont été réalisés pour caractériser des ADNmt complets. Nous avons découvert plusieurs mécanismes évolutifs intéressant chez l’espèce Gigaspora rosea dans laquelle le génome mt est complètement remanié en comparaison avec Rhizophagus irregularis isolat DAOM 197198. En plus nous avons mis en évidence que deux gènes cox1 et rns sont fragmentés en deux morceaux. Nous avons démontré que les ARN transcrits les deux fragments de cox1 se relient entre eux par épissage en trans ‘Trans-splicing’ à l’aide de l’ARN du gene nad5 I3 qui met ensemble les deux ARN cox1.1 et cox1.2 en formant un ARN complet et fonctionnel. Nous avons aussi trouvé une organisation de l’ADNmt très particulière chez l’espèce Rhizophagus sp. Isolat DAOM 213198 dont le génome mt est constitué par deux chromosomes circulaires. En plus nous avons trouvé une quantité considérable des séquences apparentées aux plasmides ‘plasmid-related sequences’ chez les Glomeraceae par rapport aux Gigasporaceae, contribuant ainsi à une évolution rapide des ADNmt chez les Glomeromycota. Nous avons aussi séquencé plusieurs isolats de l’espèces R. irregularis et Rhizophagus sp. pour décortiquer leur position phylogénéque et inférer des relations évolutives entre celles-ci. La comparaison génomique mt nous montré l’existence de plusieurs éléments mobiles comme : des cadres de lecture ‘open reading frames (mORFs)’, des séquences courtes inversées ‘short inverted repeats (SIRs)’, et des séquences apparentées aux plasimdes ‘plasmid-related sequences (dpo)’ qui impactent l’ordre des gènes mt et permettent le remaniement chromosomiques des ADNmt. Tous ces divers mécanismes évolutifs observés au niveau des isolats, nous permettent de développer des marqueurs moléculaires spécifiques à chaque isolat ou espèce de CMA. Les données générées dans mon projet de doctorat ont permis d’avancer les connaissances fondamentales des génomes mitochondriaux non seulement chez les Glomeromycètes, mais aussi de chez le règne des Fungi et les eucaryotes en général. Les trousses moléculaires développées dans ce projet peuvent servir à des études de la génétique des populations, des échanges génétiques et l’écologie des CMA ce qui va contribuer à la compréhension du rôle primorial des CMA en agriculture et environnement.

Conservation of dual-targeted proteins in Arabidopsis and rice points to a similar pattern of gene-family evolution

Gene duplication followed by acquisition of specific targeting information and dual targeting were evolutionary strategies enabling organelles to cope with overlapping functions. We examined the evolutionary trend of dual-targeted single-gene products in Arabidopsis and rice genomes. The number of paralogous proteins encoded by gene families and the dual-targeted orthologous proteins were analysed. The number of dual-targeted proteins and the corresponding gene-family sizes were similar in Arabidopsis and rice irrespective of genome sizes. We show that dual targeting of methionine aminopeptidase, monodehydroascorbate reductase, glutamyl-tRNA synthetase, and tyrosyl-tRNA synthetase was maintained despite occurrence of whole-genome duplications in Arabidopsis and rice as well as a polyploidization followed by a diploidization event (gene loss) in the latter.

The genetic basis of morphological change in convergent evolution of natural populations: identifying candidate genes behind convergent evolution in blind cavefish astyanax mexicanus

Dissertation presented to obtain the Ph.D. degree in Biology at the Instituto de Tecnologia Química e Biológica, Universidade Nova de Lisboa.

Rapid evolution of cancer/testis genes on the X chromosome.

BACKGROUND: Cancer/testis (CT) genes are normally expressed only in germ cells, but can be activated in the cancer state. This unusual property, together with the finding that many CT proteins elicit an antigenic response in cancer patients, has established a role for this class of genes as targets in immunotherapy regimes. Many families of CT genes have been identified in the human genome, but their biological function for the most part remains unclear. While it has been shown that some CT genes are under diversifying selection, this question has not been addressed before for the class as a whole. RESULTS: To shed more light on this interesting group of genes, we exploited the generation of a draft chimpanzee (Pan troglodytes) genomic sequence to examine CT genes in an organism that is closely related to human, and generated a high-quality, manually curated set of human:chimpanzee CT gene alignments. We find that the chimpanzee genome contains homologues to most of the human CT families, and that the genes are located on the same chromosome and at a similar copy number to those in human. Comparison of putative human:chimpanzee orthologues indicates that CT genes located on chromosome X are diverging faster and are undergoing stronger diversifying selection than those on the autosomes or than a set of control genes on either chromosome X or autosomes. CONCLUSION: Given their high level of diversifying selection, we suggest that CT genes are primarily responsible for the observed rapid evolution of protein-coding genes on the X chromosome.

Ant genomics sheds light on the molecular regulation of social organization.

Ants are powerful model systems for the study of cooperation and sociality. In this review, we discuss how recent advances in ant genomics have contributed to our understanding of the evolution and organization of insect societies at the molecular level.

Evolutionary genomics and HIV restriction factors.

PURPOSE OF REVIEW: To provide updated insights into innate antiviral immunity and highlight prototypical evolutionary features of well characterized HIV restriction factors. RECENT FINDINGS: Recently, a new HIV restriction factor, Myxovirus resistance 2, has been discovered and the region/residue responsible for its activity identified using an evolutionary approach. Furthermore, IFI16, an innate immunity protein known to sense several viruses, has been shown to contribute to the defense to HIV-1 by causing cell death upon sensing HIV-1 DNA. SUMMARY: Restriction factors against HIV show characteristic signatures of positive selection. Different patterns of accelerated sequence evolution can distinguish antiviral strategies--offense or defence--as well as the level of specificity of the antiviral properties. Sequence analysis of primate orthologs of restriction factors serves to localize functional domains and sites responsible for antiviral action. We use recent discoveries to illustrate how evolutionary genomic analyses help identify new antiviral genes and their mechanisms of action.

Genomik und personalisierte Medizin [Genomics and personalized medicine].

Personalized medicine has a substantial potential to transform the way diseases will be predicted, prevented and treated. The field will greatly benefit from novel DNA sequencing technologies, in particular commoditization of individual whole genome sequencing. This evolution cannot be stopped, and the medical and scientific community, as well as the society at large, have the responsibility to anticipate the expected benefits from this revolution, but also the potential risks associated with it. Massive investments will be needed for the potential of personalized medicine to be realized, and for the field to come to maturity. In particular, a paradigm change in the way clinical research is done is needed. Switzerland and its Western part pro-actively anticipate these changes.

Genomics of "chlamydia"-related bacteria

AbstractThe Chlamydiales order is an important bacterial phylum that comprises some of the most successful human pathogens such as Chlamydia trachomatis, the leading infectious cause of blindness worldwide. Since some years, several new bacteria related to Chlamydia have been discovered in clinical or environmental samples and might represent emerging pathogens. The genome sequencing of classical Chlamydia has brought invaluable information on these obligate intracellular bacteria otherwise difficult to study due to the lack of tools to perform basic genetic manipulation. The recent emergence of high-throughput sequencing technologies yielding millions of reads in a short time lowered the costs of genome sequencing and thus represented a unique opportunity to study Chlamydia-re\ated bacteria. Based on the sequencing and the analysis of Chlamydiales genomes, this thesis provides significant insights into the genetic determinants of the intracellular lifestyle, the pathogenicity, the metabolism and the evolution of Chlamydia-related bacteria. A first approach showed the efficacy of rapid sequencing coupled to proteomics to identify immunogenic proteins. This method, particularly useful for an emerging pathogen such as Parachlamydia acanthamoebae, enabled us to discover good candidates for the development of diagnostic tools that would permit to evaluate at larger scale the role of this bacterium in disease. Second, the complete genome of Waddlia chondrophila, a potential agent of miscarriage, encodes numerous virulence factors to manipulate its host cell and resist to environmental stresses. The reconstruction of metabolic pathways showed that the bacterium possesses extensive capabilities compared to related organisms. However, it is still incapable of synthesizing some essential components and thus has to import them from its host. Third, the genome comparison of Protochlamydia naegleriophila to its closest known relative Protochlamydia amoebophila revealed a particular evolutionary dynamic with the occurrence of an unexpected genome rearrangement. Fourth, a phylogenetic analysis of P. acanthamoebae and Legionella drancourtii identified several genes probably exchanged by horizontal gene transfer with other intracellular bacteria that might occur within their amoebal host. These genes often encode mechanisms for resistance to metal or toxic compounds. As a whole, the analysis of the different genomes enabled us to highlight a large diversity in size, GC percentage, repeat content as well as plasmid organization. The abundant genomic data obtained during this thesis have a wide impact since they provide the necessary bases for detailed investigations on countless aspects of the biology and the evolution of Chlamydia-related bacteria, whether in wet lab or by bioinformatical analyses.RésuméL'ordre des Chlamydiales est un important phylum bactérien qui comprend de nombreuses espèces pathogènes pour l'homme et les animaux, dont Chlamydia trachomatis, responsable du trachome, la cause majeure de cécité d'origine infectieuse à travers le monde. Durant ces dernières décennies, de nombreuses bactéries apparentées aux Chlamydia ont été découvertes dans des échantillons environnementaux ou cliniques mais leur éventuel rôle pathogène dans le développement de maladies reste peu connu. Ces bactéries sont des intracellulaires obligatoires car elles ont besoin d'une cellule hôte pour se multiplier, ce qui rend leur étude particulièrement difficile. Le développement de nouvelles technologies permettant de séquencer le génome d'un organisme rapidement et à moindre coût ainsi que l'essor des méthodes d'analyse s'y rapportant représentent une opportunité exceptionnelle d'étudier ces organismes. Dans ce contexte, cette thèse démontre l'utilité de la génomique pour développer de nouveaux outils diagnostiques ainsi que pour étudier le métabolisme de ces bactéries, leurs facteurs de virulence et leur évolution.Ainsi, une première approche a illustré l'utilité d'un séquençage rapide pour obtenir les informations nécessaires à l'identification de protéines qui sont reconnues par des anticorps humains ou animaux. Cette méthode, particulièrement utile pour un pathogène émergent tel que Parachlamydia acanthamoebae, a permis de découvrir de bons candidats pour le développement d'un outil diagnostique qui permettrait d'évaluer à plus large échelle le rôle de cette bactérie notamment dans la pneumonie. L'analyse du contenu génique de Waddlia chondrophila, un autre germe qui pourrait être impliqué dans les avortements et tes fausses-couches, a en outre mis en évidence la présence de nombreux facteurs connus qui lui permettent de manipuler son hôte. Cette bactérie possède de plus grandes capacités métaboliques que les autres Chlamydia, mais elle est incapable de synthétiser certains composants et doit donc les importer de son hôte pour subvenir à ses besoins. La comparaison du génome de Protochlamydia naegleriophila à son plus proche parent, Protochlamydia amoebophila, a dévoilé une évolution dynamique particulière avec l'occurrence d'un réarrangement majeur inattendu après la séparation de ces deux espèces. En outre, ces études ont montré l'occurrence de plusieurs transferts de gène avec d'autres organismes plus éloignés, notamment d'autres intracellulaires d'amibes, souvent pour l'acquisition de mécanismes de résistances à des composés toxiques. Les données génomiques acquises durant ce travail posent les fondements nécessaires a de nombreuses analyses qui permettront progressivement de mieux comprendre de nombreux aspects de ces bactéries fascinantes.

Developmental and Anatomical Constraints on Vertebrate Genome Evolution

Pendant ma thèse de doctorat, j'ai utilisé des espèces modèles, comme la souris et le poisson-zèbre, pour étudier les facteurs qui affectent l'évolution des gènes et leur expression. Plus précisément, j'ai montré que l'anatomie et le développement sont des facteurs clés à prendre en compte, car ils influencent la vitesse d'évolution de la séquence des gènes, l'impact sur eux de mutations (i.e. la délétion du gène est-elle létale ?), et leur tendance à se dupliquer. Où et quand il est exprimé impose à un gène certaines contraintes ou au contraire lui donne des opportunités d'évoluer. J'ai pu comparer ces tendances aux modèles classiques d'évolution de la morphologie, que l'on pensait auparavant refléter directement les contraintes s'appliquant sur le génome. Nous avons montré que les contraintes entre ces deux niveaux d'organisation ne peuvent pas être transférées simplement : il n'y a pas de lien direct entre la conservation du génotype et celle de phénotypes comme la morphologie. Ce travail a été possible grâce au développement d'outils bioinformatiques. Notamment, j'ai travaillé sur le développement de la base de données Bgee, qui a pour but de comparer l'expression des gènes entre différentes espèces de manière automatique et à large échelle. Cela implique une formalisation de l'anatomie, du développement et de concepts liés à l'homologie grâce à l'utilisation d'ontologies. Une intégration cohérente de données d'expression hétérogènes (puces à ADN, marqueurs de séquence exprimée, hybridations in situ) a aussi été nécessaire. Cette base de données est mise à jour régulièrement et disponible librement. Elle devrait contribuer à étendre les possibilités de comparaison de l'expression des gènes entre espèces pour des études d'évo-devo (évolution du développement) et de génomique. During my PhD, I used model species of vertebrates, such as mouse and zebrafish, to study factors affecting the evolution of genes and their expression. More precisely I have shown that anatomy and development are key factors to take into account, influencing the rate of gene sequence evolution, the impact of mutations (i.e. is the deletion of a gene lethal?), and the propensity of a gene to duplicate. Where and when genes are expressed imposes constraints, or on the contrary leaves them some opportunity to evolve. We analyzed these patterns in relation to classical models of morphological evolution in vertebrates, which were previously thought to directly reflect constraints on the genomes. We showed that the patterns of evolution at these two levels of organization do not translate smoothly: there is no direct link between the conservation of genotype and phenotypes such as morphology. This work was made possible by the development of bioinformatics tools. Notably, I worked on the development of the database Bgee, which aims at comparing gene expression between different species in an automated and large-scale way. This involves the formalization of anatomy, development, and concepts related to homology, through the use of ontologies. A coherent integration of heterogeneous expression data (microarray, expressed sequence tags, in situ hybridizations) is also required. This database is regularly updated and freely available. It should contribute to extend the possibilities for comparison of gene expression between species in evo-devo and genomics studies.

Evolution of a cellular immune response in Drosophila: a phenotypic and genomic comparative analysis.

Understanding the genomic basis of evolutionary adaptation requires insight into the molecular basis underlying phenotypic variation. However, even changes in molecular pathways associated with extreme variation, gains and losses of specific phenotypes, remain largely uncharacterized. Here, we investigate the large interspecific differences in the ability to survive infection by parasitoids across 11 Drosophila species and identify genomic changes associated with gains and losses of parasitoid resistance. We show that a cellular immune defense, encapsulation, and the production of a specialized blood cell, lamellocytes, are restricted to a sublineage of Drosophila, but that encapsulation is absent in one species of this sublineage, Drosophila sechellia. Our comparative analyses of hemopoiesis pathway genes and of genes differentially expressed during the encapsulation response revealed that hemopoiesis-associated genes are highly conserved and present in all species independently of their resistance. In contrast, 11 genes that are differentially expressed during the response to parasitoids are novel genes, specific to the Drosophila sublineage capable of lamellocyte-mediated encapsulation. These novel genes, which are predominantly expressed in hemocytes, arose via duplications, whereby five of them also showed signatures of positive selection, as expected if they were recruited for new functions. Three of these novel genes further showed large-scale and presumably loss-of-function sequence changes in D. sechellia, consistent with the loss of resistance in this species. In combination, these convergent lines of evidence suggest that co-option of duplicated genes in existing pathways and subsequent neofunctionalization are likely to have contributed to the evolution of the lamellocyte-mediated encapsulation in Drosophila.