Evolution des génes et des génomes après duplication compléte – GenoFish

Pour répondre à ces questions, le projet GenoFish a tout d’abord séquencé et assemblé les génomes de quatorze nouvelles espèces de poissons téléostéens sélectionnés à des positions taxonomiques clés de leur évolution pour servir de base à des analyses d’évolution génomiques. Un effort particulier a été mis sur le super-ordre des Élopomorphes qui regroupe des poissons comme l’anguille, le congre, la murène ou le tarpon. Ce focus a été choisi car ce groupe était reconnu comme un des groupes d’espèces modernes dont l’ancêtre commun aurait divergé très tôt après la duplication spécifique des poissons téléostéens. De plus, très peu de séquences génomiques d’Élopomorphes étaient disponibles dans les bases de données internationales au démarrage du projet GenoFish. En complément de ces nouvelles ressources génomiques, le projet GenoFish a mis en place des nouveaux outils d’analyse de génomique comparée pour étudier les relations complexes d’évolution de ces gènes dupliqués. Un de ces outils baptisé SCORPIOs permets de caractériser plus finement l’évolution des gènes dupliqués en réconciliant les phylogénies des séquences des gènes, qui sont couramment utilisées pour ce type d’analyse, avec la conservation de l’ordre de ces gènes.

Parmi les résultats majeurs du projet GenoFish nous avons par exemple pu établir la première cartographie à grande échelle des régions dupliquées entre génomes de poissons ce qui nous permet maintenant de proposer une nomenclature unifiée des gènes chez les poissons téléostéens. Un autre résultat plus inattendu du projet porte sur une remise en question des relations phylogénétiques classiquement admises entre les grands groupes taxonomiques à la base de l'arbre de la vie des poissons téléostéens.

Les ressources et méthodes développées lors du projet GenoFish ouvrent de nombreuses perspectives pour étudier plus finement l'évolution des génomes post-duplication chez les poissons téléostéens. En particulier l'intégration de données sur les éléments non codant conservés ou les microARNs permettrait d'étendre nos analyses au delà des gènes codants pour des protéines.
Avec l'explosion des ressources génomique un nouveau challenge sera aussi d'être capable d'analyser non plus des dizaines mais des centaines de génomes de façon simultanée.

Deux publications scientifiques issus des résultats du projets ont d’ores et déjà été publiées :
- Parey et al., 2020. Synteny-Guided Resolution of Gene Trees Clarifies the Functional Impact of Whole-Genome Duplications. Mol Biol Evol. 37(11):3324-3337. doi: 10.1093/molbev/msaa149.
- Thompson et al., 2021. The bowfin genome illuminates the developmental evolution of ray-finned fishes. Nat Genet. 53(9):1373-1384. doi: 10.1038/s41588-021-00914-y.

Plusieurs autres publications du projet sont soumises à des journaux scientifiques, et disponibles sous des plateformes de prépublications, ou en cours d’écriture.

Les duplications génomiques sont un thème récurrent dans l'évolution des vertébrés. Ainsi a titre d’exemple, le génome humain contient de nombreux gènes ou familles de gènes qui sont en fait le résultat d'une ou de deux duplications génomiques complètes (WGD) qui ont eut lieu avant l’émergence du groupe des vertébrés. Ces gènes en copies surnuméraires sont, en principe, disponibles pour l'évolution de nouvelles fonctions qui peuvent conduire à l'émergence de spécificités fonctionnelles et contribuer ainsi à la diversification de la vie sur Terre. L'évolution des gènes après duplication du génome est donc une question cruciale en génomique et biologie évolutive qui permet de comprendre les mécanismes par lesquels les génomes ont évolués et ont pu contribuer à l’évolution des différentes formes de développement et de physiologie chez les vertébrés. Malheureusement, nous ne disposons pas encore une connaissance suffisante des génomes de vertébrés pour répondre entièrement à cette question et les premières duplications génomiques complètes sont si anciennes qu'elles sont difficiles à étudier. Afin d'améliorer notre compréhension de l'évolution après ces duplications génomiques, notre projet se focalisera sur la duplication spécifique des poissons téléostéens (TGD) qui eut lieu il y a 320-350 millions d'années, après la scission entre la lignée des poissons téléostéens et la lignée des poissons holostéens. Cette TGD est d'un intérêt particulier pour l'étude de l'évolution des gènes parce les poissons téléostéens ont eut une radiation évolutive particulièrement importante et rapide après cet événement de duplication. En outre les génomes des poissons téléostéens ont conservés un grand nombre de gènes en double alors que d'autres gènes se sont pseudogénisés et sont revenus à une copie unique. Cette complexité supplémentaire a souvent été proposée comme une explication au rayonnement extraordinaire du groupe des poissons téléostéens qui représentent la moitié de toutes les espèces de vertébrés. Pour mieux appréhender ce problème, le projet GenoFish se propose de produire comme base de travail des séquences génomiques de haute qualité chez huit espèces de poissons soigneusement sélectionnés pour leurs positions taxonomiques clés par rapport à l'évolution des poissons téléostéens. Nous utiliserons pour cela une approche novatrice basée sur du séquençage de molécule unique en temps réel. A noter que cet objectif ambitieux n’aurait pas été possible il y a encore un an à un coût raisonnable et avec une qualité suffisamment élevée pour permettre de mettre en place une analyse comparative de génomes entiers sur autant d’espèces. Ces séquences génomiques après assemblage et annotation seront combinés avec des séquences génomiques et transcriptomiques publiques préexistantes, pour servir de base à des analyses d’évolution génomiques à hauts débits comprenant des analyses phylogénies, de synthénies, de recherche d’éléments non codants conservés, et d’expression génique. L’ensemble de ces résultats permettra aussi d’explorer quelques cas d’évolution particulière après duplication qui seront analysés par des approches de génomique fonctionnelles chez des poissons modèles. Les résultats de ce projet fourniront des réponses à l'échelle du génome sur l’évolution des gènes post duplication, de leurs régulations ou de leurs profils d'expression. En outre, et parce que ces duplications de gènes ont aussi un impact majeur sur la qualité de l'annotation des gènes chez les téléostéens, notre projet proposera, soutenu par les résultats de notre analyse évolutive, d’unifier la nomenclature des gènes chez les poissons téléostéens. Ce dernier point permettra de relier plus efficacement l'information fonctionnelle existante chez de nombreuses espèces de vertébrés, dont les principales espèces de poissons modèles, avec d'autres espèces de poissons d’intérêts biomédicaux ou économiquement pertinents pour lesquelles cette information n’est pas disponible.