Déchiffrer la biologie des génomes grâce à une combinaison unique de Génomique comparative, Génomique fonctionnelle et Génomique populationnelle (3G) – GB-3G

La recherche fondamentale en biologie s’est développée autour d’organismes modèles représentant seulement quelques unes des innombrables espèces vivantes. Pour la plupart, ces organismes modèles sont évolutivement très éloignés les uns des autres et cette distance ne permet pas d’aborder de manière fine les mécanismes qui régissent l’évolution des grands processus cellulaires. Grâce aux techniques récentes de séquençage à haut débit de la totalité de l'ADN contenu dans les cellules, il est désormais possible de transformer virtuellement n’importe quelle espèce en nouvel organisme modèle ce qui permet d’éclairer les mécanismes d’évolution de processus biologiques majeurs. C’est ce que nous avons entrepris ici, avec l’étude d’un groupe d’espèces de levures, les Lachancea, choisi en fonction de ses caractéristiques évolutives remarquables. Dans un premier temps, ce travail aura des retombées purement fondamentales. Toutefois, il est important de remarquer que les mécanismes responsables de l’évolution des génomes sont équivalents aux mécanismes d’apparition de nombreuses maladies génétiques et de la transformation d’une cellule normale en cellule cancéreuse. Nos travaux présentent donc un enjeu potentiellement important en santé humaine.

Nous avons accumulé des résultats essentiels à la réalisation de nos objectifs sur les différents axes développés. Premièrement, nous avons réalisé le séquençage, l’assemblage et l’annotation du génome de sept espèces de Lachancea ce qui permet d'avoir l'ensemble du répertoire de gènes existants dans un clade eucaryote complet. Ce résultat sera crucial pour la compréhension des mécanismes de fonctionnement de ces génomes tels que la réplication (passage d'une copie à deux copies des chromosomes avant la division cellulaire), la recombinaison (brassage de l'information génétique entre générations) et également pour l'étude de l'évolution de ces génomes notamment par la reconstruction du génome de l'ancêtre de ces espèces. Nous avons notamment accumulé des indices qui suggèrent que ces espèces peuvent changer de sexe à haute fréquence ce qui n'était pas du tout attendu chez ce groupe d'organismes. Deuxièmement, nous avons déterminé et assemblé les génomes mitochondriaux de cinq espèces ce qui éclaire l’évolution de ces génomes et fait l’objet d’une publication. Troisièmement, nous avons déterminé le profil de réplication de 4 espèces apparentées ce qui représente une avancée majeure dans la compréhension de l’évolution de ce processus dans un groupe d’espèces différent des organismes modèles classiques. Quatrièmement, nous avons progressé de manière significative dans l’analyse des relations entre la composition du génome (génotype) et les caractères visibles (phénotype). Nous avons séquencé le génome de 28 souches différentes de l'espèce emblématique de ce groupe, Lachancea kluyveri, et analysé certains de leurs phénotypes dans 60 conditions environnementales. Cinquièmement, nous avons caractérisé un processus mutationnel unique qui serait responsable d'une modification très importante de la composition en base du génome de L. kluyveri. Finalement, nous avons construit des outils nécessaires à l’analyse de la recombinaison méiotique chez L. kluyveri.

Notre projet est pionnier en matière d’exploration génomique fonctionnelle d’un groupe d’espèce centré autour d’une référence qui n’est pas un organisme modèle. Nous nous attendons à ce que ce projet soit le premier d’une longue liste car il semble clair qu’en matière de régulation des processus biologiques, les voies explorées par les quelques organismes modèles à ce jour ne reflètent qu’une petite partie du champ des possibles biologiques.

L’obtention des séquences de novo du génome de sept espèces de levures nous a permis de mettre en place un outil automatisé très puissant qui réalise l’annotation pratiquement complète d’un génome en quelques minutes. Cet outil d'annotation a été développé sous la forme d'un pipeline Amadea BiopackR (ISoft). Les données de séquences nous ont permis de déterminer la structure, le polymorphisme et l’évolution des génomes mitochondriaux au sein des levures Lachancea et fait l’objet de 2 publications (G3 and Plos One). Finalement, l’analyse de l’évolution de la quantité d’ADN au cours du cycle cellulaire de L. kluyveri nous a permis de déterminer son profil de réplication de l’ADN et ce qui a fait l’objet d’une autre publication (Genome Biol Evol). Au total, ce projet à déjà permis de réaliser 19 communications dans des congrès scientifiques nationaux et internationaux et de publier 7 articles originaux (Mol Biol Evol, Nature, Plos Genetics et J Logic Comput).