CE02 - Terre vivante

Conflits nucléocytoplasmiques et Gynodioécie chez les animaux – MINIGAN

Des mitochondries qui manipulent le sexe

Nous étudions chez un escargot d'eau douce la stérilité mâle cytoplasmique (SMC). Cette espèce, normalement hermaphrodite, perd sa fonction mâle lorsqu'elle porte un type particulier de mitochondries. Ce système est connu et modélisé chez les plantes; nous l'avons découvert pour la première fois chez un animal ce qui autorise de nombreuses approches expérimentales pour explorer cet exemple de conflit génomique sur le déterminisme du sexe.

Un cas exemplaire de conflit génomique

Le projet MINIGAN représente la première étude d'un exemple animal de stérilité mâle cytoplasmique. Cet exemple permet d'observer en temps réel comment évolue un ensemble de gènes en conflit. Le conflit est ici lié au mode de transmission des différents compartiments du génome : le génome mitochondrial se transmet uniquement par la mère alors que le génome nucléaire se transmet aussi par le père. En conséquence les gènes mitochondriaux n'ont pas intérêt à maintenir la fonction mâle; chez un individu hermaphrodite ils ont même intérêt à la supprimer si l'énergie peut être réinvestie dans la fonction femelle. Les gènes nucléaires ont alors intérêt à rétablir la fonction mâle, et un conflit a lieu sur la détermination du sexe. <br />Pour comprendre comment se déroule ce conflit, nous devons dans un premier temps explorer la distribution des différents types de mitochondries (porteuses ou non de SMC) et leurs effets sur le sexe des individus dans la nature; Nous devons ensuite expérimentalement mesurer l'effet des mitochondries et des gènes nucléaires avec lesquelles elles sont en conflit sur la reproduction mâle et femelle des individus, leur physiologie et leur anatomie. Enfin nous mettrons en place un protocole pour observer au laboratoire, sur plusieurs générations, comment évoluent ces deux types de gènes (mitochondriaux et nucléaires). Cette approche directe de la dynamique évolutive sera complétée par une approche indirecte où l'on observera les conséquences génomiques de la présence historique de mitochondries SMC dans les populations naturelles.

- omics data will be Notre méthodologie combine plusieurs niveaux d'analyse complémentaires mobilisés autour du même système :

- l'approche de terrain (échantillonnage de nombreuses populations naturelles, génotypage et phénotypage pour déterminer la fréquence et la distribution des mitochondries mâle-stériles et l'existence réelle de stérilité mâle chez les individus porteurs);

- le travail d'élevage en laboratoire, comprenant à la fois des séries complexes de croisements contrôlés, des mesures de traits d'histoire de vie et de valeur sélective, des maintiens de populations expérimentales sur plusieurs générations (évolution expérimentale);

- le travail de typage moléculaire ((typage par PCR des mitochondries, séquençage, transcriptomique, reséquençage d'individus de populations naturelles);

- du traitement biooinformatique (assemblage de génome, genome-scan)

- de la modélisation mathématique pour comprendre et prédire la dynamique évolutive du système.

Notre résultat principal pour l'instant est la découverte de deux types mitochondriaux induisant la stérilité mâle. Ces deux types sont à évolution très rapide en raison d'un taux de mutation exceptionnellement haut. Pour l'un des types (pour l'instant) nous avons également identifié la présence de gènes nucléaires à effet antagoniste (restaurant la fonction mâle et donc le phénotype «hermaphrodite«), en montrant que le phénotype de stérilité mâle apparaissait lorsque cette mitochondrie était associée à certains génomes nucléaires et pas à certains autres. Nous avons également montré l'existence d'un bénéfice femelle : les individus qui perdent la fonction mâe ont une fertilité femelle plus élevée que les autres. Nous avons commencé à modéliser l'évolution de ce type de système.

Notre étude est en cours et de nombreuses expériences nouspermettront de mieux comprendre la stérilité mâle cytoplasmique. Nous pourrons ainsi mieux comprendre la nature génétique de la restauration par le génome nucléaire et son caractère spécifique ou non par rapport aux types mitochondriaux. Nous avons obtenu nos premières générations d'évolution expérimentale et ce travail doit être poursuivi pour comprendre la dynamique évolutive de ce système. Enfin nous devons encore intensifier nos préèvements sur le terrain pour décrire la distribution et la stabilité des fréquences des mitotypes stérilisants dans les populations naturelles. Ce travail non seulement permettra d'éclairer sous un jour nouveau notre connaissance d'un des conflits génomiques les plus importants au sein des organismes hermaphrodites; mais aussi d'apporter un écalirage sur des phénomènes applcables aux organismes à sexes séparés dont l'homme, chez equel ont été identifiées des mutations mitochondriales responsables de défauts de fertilité mâle.

Ce projet est en cours et n'a pour l'instant pas donné lieu à publication scientifique.

Le concept de conflit génétique est un des plus importants apports de la biologie évolutive du XXe siècle, et il est devenu aujourdhui, à l’ère du séquençage massif, un des piliers de notre compréhension de l’évolution des génomes. Les conflits génétiques résultent du fait que différents gènes maximisent leur transmission de façons différentes. Un exemple spectaculaire est la stérilité mâle cytoplasmique (SMC), où des gènes mitochondriaux à transmission maternelle suppriment la fonction mâle d’un hermaphrodite, au détriment des gènes nucléaires. Le résultat est un polymorphisme sexuel nommé gynodioécie, où des femelles coexistent avec des hermaphrodites. La SMC et la gynodioécie ont été bien étudiées théoriquement, et empiriquement chez les plantes, devenant un des exemples-phares de conflits génétiques. Cependant, de manière surprenante, elles n’ont jamais été décrites chez les animaux. En outre, les tests de la théorie sont restés indirects, car le temps de génération long des plantes gynodioïques complique l’observation directe de l’évolution en temps réel, au fil des générations.

Nous avons récemment découvert le premier exemple de SMC chez un animal : l’escargot hermaphrodite d’eau douce Physa acuta (Pa). Nous proposons d’en faire un nouveau modèle pour l’étude des conflits génétiques. En capitalisant sur le temps de génération court de cet escargot, et sur des données préliminaires acquises dans les deux dernières années, notre projet permettra non seulement d’ouvrir ce champ de la biologie évolutive à un nouveau règne (les animaux) mais aussi de suivre des pistes prometteuses, jamais explorées, comme l’évolution expérimentale. MINIGAN est organisé en 4 axes / questions. (i) Quelle est la distribution géographique de la SMC et se trouve-telle associée à des environnements particuliers ? (ii) La stérilité mâle est-elle compensée par un avantage sur la fonction femelle; quand et comment un tel avantage s’exprime-t-il ? (iii) Peut-on observer directement les cycles de co-évolution entre gènes mitochondriaux et nucléaires prédits par les modèles, les uns supprimant la fonction mâle, les autres la restaurant ? (iv) Quelle est la signature génomique de la gynodioécie ? Comment la SMC affecte-t-elle les génomes et les transcriptomes ?
Nous nous appuierons sur une diversité d’approches, soit déjà utilisées chez les plantes (terrain, PCR, expérimentation en laboratoire), soit plus innovantes : évolution expérimentale, scans génomiques, transcriptomique. Ce projet est ambitieux car il requiert des efforts longs au laboratoire (évolution expérimentale), l’assemblage de novo du génome de Pa, et un gros effort de re-séquençage. Mais la diversité d’approches assure un mélange équilibré entre parties risquées et peu risquées.

Elle fait aussi écho aux compétences complémentaires des trois partenaires et de leurs responsables scientifiques. Le projet est coordonné par P. David au CEFE (Montpellier), biologiste évolutif à large spectre, généticien quantitatif et généticien des populations, spécialiste des systèmes de reproduction animaux, qui a une longue expérience avec le modèle escargot. Il s’est entouré d’une équipe comprenant notamment une spécialiste de la gynodioécie chez les plantes. E. Luquet et J. Romiguier (leaders des partenaires LEHNA (Lyon) et ISEM (Montpellier) respectivement), deux jeunes chercheurs talentueux, et leurs équipes associées, apporteront leur expérience en évolution des traits d’histoire de vie, transcriptomique et génomique. La collaboration sera facilitée par la proximité géographique, et l’existence de récentes collaborations fructueuses entre partenaires, déjà matérialisées par des publications sur le modèle escargot et par l’obtention des résultats préliminaires à la base du projet.

Rassemblant une équipe soudée de chercheurs reconnus, aux compétences complémentaires, MINIGAN apportera des informations fascinantes sur la dynamique de la SMC, et plus généralement des conflits génétiques.

Coordinateur du projet

Monsieur Patrice DAVID (Centre d'Ecologie Fonctionnelle et Evolutive)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CEFE Centre d'Ecologie Fonctionnelle et Evolutive
LEHNA LABORATOIRE D'ECOLOGIE DES HYDROSYSTEMES NATURELS ANTHROPISES
ISEM Institut des Sciences de l'Evolution de Montpellier

Aide de l'ANR 605 639 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2020 - 42 Mois

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