Etude de l'adaptation génétique aux changements environnementaux rapides : l’agriculture et le modèle humain – AGRHUM

Pour atteindre nos objectifs, nous séquencerons l’exome complet d’un large panel d’individus de différentes populations de chasseurs-cueilleurs et d’agriculteurs. L’analyse de ces données nous permettra dans un premier temps de déterminer les conséquences de l’histoire démographique et du mode de vie sur l’efficacité de la sélection purificatrice (élimination des mutations délétères ou faiblement délétères). En parallèle, nous développerons de nouvelles approches afin de déterminer la contribution des différents mécanismes d’adaptation biologique à l’environnement, ce qui comprend les modèles classiques de sélection positive, mais aussi les modèles alternatifs comme l’adaptation polygénique, la sélection d’allèles préexistants devenant avantageux (standing variation) ou l’introgression adaptative.

Dans cette phase de démarrage, le projet s’est concentré sur la production des données et l’évaluation de l’influence de la démographie sur l’efficacité de la sélection purificatrice, d’une part, ainsi que sur le développement et amélioration des méthodes statistiques pour la détection de la sélection à partir des données génomiques, d’autre part. Ce travail a déjà mené à des résultats intéressants : (i) nous avons pu définir le modèle démographique expliquant le mieux la variabilité génétique des populations de chasseurs-cueilleurs et d’agriculteurs de l’Afrique Centrale. Ce modèle montre une histoire démographique très contrastée entre les deux groupes de populations, avec des changements très importants de taille efficace tout au long de leur histoire. Malgré cette histoire démographique contrastée, les deux groupes de populations conservent la même capacité à purger les mutations délétères et ainsi la même efficacité de la sélection purificatrice. Nous avons également développé une méthode pour la détection de la sélection positive, “pcadapt”, basée sur l’analyse en composantes principales. En outre, nous avons comparé l’efficacité relative de diverses méthodes pour détecter la sélection positive et développé un programme de simulation pour la détection de la sélection polygénique.

Dans la période à venir, nous allons étudier et quantifier la contribution relative des différents mécanismes d’adaptation biologique à l’environnement, ce qui comprend les modèles classiques de sélection positive, mais aussi les modèles alternatifs comme l’adaptation polygénique, la sélection d’allèles préexistants devenant avantageux (standing variation) ou l’introgression adaptative. L’analyse conjointe de ces résultats avec les estimations des dates auxquelles les variants délétères ou adaptatifs sont apparus, nous permettra d’évaluer comment ces changements rapides d’environnement ont influencé la valeur adaptative et l’efficacité de la sélection. L’originalité de ce projet réside dans le fait qu’il propose de caractériser l’impact d’un changement rapide d’environnement sur le génome, en associant des techniques de séquençage à forte couverture, à une analyse bioinformatique de pointe et au développement de méthodes statistiques ad-hoc.

Duforet-Frebourg N, Luu K, Laval G, Bazin E, Blum MG. Detecting Genomic Signatures of Natural Selection with Principal Component Analysis: Application to the 1000 Genomes Data. Mol Biol Evol. 2016 Apr;33(4):1082-93. doi: 10.1093/molbev/msv334.

L’étude de l’adaptation des espèces à leur milieu lors de périodes données peut nous renseigner sur l’existence de mécanismes d’adaptation spécifiques mis en oeuvre lors de changements rapides des pressions environnementales. L’émergence de l’agriculture a probablement été l’un des changements les plus importants dans l’histoire de l’homme. Le passage d’un mode de vie basé sur la chasse et la cueillette à un mode de vie sédentaire, induisant une augmentation des densités de populations des premiers agriculteurs et modifiant leurs environnements chimiques, nutritionnels et pathogéniques, a conduit à de nouvelles pressions de sélection. Cependant, les mécanismes, l’étendue et la rapidité de l’adaptation à ces nouveaux environnements restent encore méconnus. En effet, même si certains concepts généraux relatifs aux mécanismes d’adaptation biologique commencent à émerger, comme l’importance des formes de sélection positive autres que les balayages sélectifs «classiques», les rôles respectifs des différents modèles de sélection restent mal compris. Le projet AGRHUM s’inscrit dans cette perspective et vise à accroitre notre compréhension des processus d’adaptation à l’œuvre lors d’une modification rapide de l’environnement. L’objectif est également de développer de nouveaux outils méthodologiques qui permettront à terme d’aborder cette question pour d’autres espèces animales ou végétales. Pour ce faire, nous utiliserons l’espèce humaine comme modèle, afin d’évaluer l’impact de la transition «chasseur-cueilleur» vers «agriculteur» sur les mécanismes de sélection et adaptation à ce changement majeur et relativement récent. L’étude portera sur l’Afrique centrale, une région abritant à la fois les plus grandes populations de chasseurs-cueilleurs et des populations sédentaires qui pratiquent l’agriculture depuis ~5000 ans. Nous séquencerons l’exome complet d’un large panel d’individus de différentes populations de chasseurs-cueilleurs et d’agriculteurs. L’analyse de ces données nous permettra dans un premier temps de déterminer les conséquences de l’histoire démographique et du mode de vie sur l’efficacité de la sélection purificatrice (élimination des mutations délétères ou faiblement délétères). En parallèle, nous développerons de nouvelles approches afin de déterminer la contribution des différents mécanismes d’adaptation biologique à l’environnement, ce qui comprend les modèles classiques de sélection positive, mais aussi les modèles alternatifs comme l’adaptation polygénique, la sélection d’allèles préexistants devenant avantageux (standing variation) ou l’introgression adaptative. L’analyse conjointe de ces résultats avec les estimations des dates auxquelles les variants délétères ou adaptatifs sont apparus, nous permettra d’évaluer comment ces changements rapides d’environnement ont influencé la valeur adaptative et l’efficacité de la sélection. L’originalité de ce projet réside dans le fait qu’il propose de caractériser l’impact d’un changement rapide d’environnement sur le génome, en associant des techniques de séquençage à forte couverture, à une analyse bioinformatique de pointe et au développement de méthodes statistiques ad-hoc. En utilisant le paradigme humain, le projet AGRHUM nous permettra de mieux comprendre les mécanismes à la base de l’adaptation, ou de la «maladaptation», des espèces aux changements environnementaux brusques. En outre, il fournira de nouveaux outils méthodologiques pour l’étude des différentes formes d’adaptation génétique, applicables à d’autres espèces. Enfin, la collaboration entre les équipes de Lluis Quintana-Murci, Michael Blum et Frédéric Austerlitz, d’expertises différentes mais complémentaires, permettra la mise en commun de ressources (programmes informatiques et données) et connaissances (méthodes d’analyses statistiques) nécessaires au succès de ce projet.