Influence de la taille efficace des populations sur l'architecture des génomes animaux – NeGA

Le projet s'appuie sur l'étude de groupes biologiques où l'impact de multiple variations de taille de population entre espèce est étudié. Un de ces groupes sont des organismes in silico utilisés lors d'expérience in silico de variation de taille de population.

En plus de cette approche ciblé sur certains groupes d’intérêt, le projet a rapidement intégré une approche à grande échelle (eg. métazoaires) pour étudier à cette échelle le lien entre taille de population et architecture des génomes. Cette approche à grand échelle combine des analyses macroévolutive mais également microévolutives.

Les traits génomiques étudiés dans le projet sont diversifiés : polymorphisme, taux d'évolution protéique, taux d'épissage, composition en base, taille et diversité du répétome, ... Par exemple, dans le cadre de la thèse d’Alba Marino, nous avons constitué un jeu de données de 773 génomes animaux de bonne qualité. Les tailles observées varient de 114 Mb chez le coléoptère Hycleus phaleratus à 5 798 Mb chez la seiche Sepia pharaonis. Les éléments transposables ont été annotés pour 672 espèces.

Les moyens mis en œuvre sont d'abords humains : embauches et accueil de jeunes chercheureuses (4 thèses) et un ingénieur. Enfin des moyens importants ont été dévolus à l’acquisition de nouvelle données génomiques.

1. Effet micro et macroévolutif de Ne (thèse de M Bastian)

L'objectif était de tester la théorie quasi-neutre sur l’évolution des séquences codantes chez 144 mammifères placentaires, en intégrant divergence inter-espèces et polymorphisme intra-espèces pour ~8 000 gènes orthologues (hétérozygotie et dN/dS). Les résultats confirme toutes les prédictions de la théorie quasi-neutre, pour la première fois aux échelles micro et macro-évolutives (Bastian et al., 2026).

2. Ne, éléments répétés et taille des génomes (thèse de A Marino)

L'objectif était de tester le lien entre Ne, taille de génome et dynamique des éléments répétés (~800 espèces et annotation des éléments transposables). Les résultats ne montre aucun lien entre Ne et taille du génome, et activité des éléments transposables. Ne n’est pas un facteur évolutif global influençant la taille des génomes chez les animaux (Marino et al., 2025).

3. Ne, composition et expression des gènes (thèse de F Bénitière)

L'objectif était d'évaluer dans quelle mesure la barrière de dérive influence l’évolution de la composition en bases des gènes (223 espèces de métazoaires avec mesure de la sélection traductionnelle) ainsi que la complexité des isoformes produits (53 espèces de métazoaires, base GTDrift, Bénitière et al., 2024a). Les résultats montrent des fortes variations du taux d’ épissage alternatif chez les animaux avec une corrélation inverse entre Ne et taux d’épissage alternatif : les espèces à faible Ne ont un épissage alternatif plus élevé (Bénitière et al., 2024b). Nous observons également un faible signal de sélection traductionnelle chez la plupart des métazoaires avec une sélection plus forte chez les espèces à grand Ne, mais absente chez certaines malgré une Ne élevée. La sélection sur les codons synonymes pourrait être moduler par d'autres facteurs comme le taux de croissance (Bénitière et al., 2025).

4. Ne et robustesse génomique (thèse de J Luiselli)

En parallèle des études comparatives, une démarche de modélisation a été initiée afin de tester in silico l'effet de Ne sur la structure des génomes. Des simulations de génomes haploïdes circulaires (modèle bactérien) et une généralisation aux génomes eucaryotes (diploïdes, linéaires, sexués) ont été utilisées. Les résultats montre qu'avec le modèle « bactérien », les réarrangements chromosomiques favorisent l’adaptation à long terme et la stabilisation de la taille du génome (Banse et al., 2024). La pression sur la taille du génome est modulée par le taux de mutation et la taille de population (Luiselli et al., 2024). Ce résultat est confirmé par un modèle mathématique : ces deux paramètres déterminent une proportion d'équilibre du génome non codant (Luiselli et al., 2025). Nous avons généralisé ces résultats avec des organismes diploïdes se reproduisant sexuellement avec de la recombinaison méiotique : les génomes de type eucaryote réagissent aux changements du taux de mutation et de Ne de manière analogue.

Globalement ces travaux accentuent un paradoxe. Les effets micro-évolutifs de Ne sont confirmées sur des données empiriques et théoriques, mais à grande échelle on ne retrouve que certains patrons attendus selon la théorie de Lynch. Alors que pour certains groupes la relation Ne et taille de génome est évidente, cette relation est globalement perdue. Sur d'autres traits génomiques on retrouve une relation (par exemple le taux d'épissage alternatif) mais cette relation est faible pour d'autres (la sélection traductionnelle).

Ces travaux ouvrent de nombreuses perspectives sur l’étude des mécanismes de régulation de l’activité des éléments transposables, ainsi que sur les raisons pour lesquelles le génome de certaines lignées augmente drastiquement de taille. Par exemple, il est possible que la sélection n’agisse que lorsque les génomes sont en train d’augmenter en taille. En effet, les éléments transposables (ETs) peuvent avoir un effet délétère lorsqu’ils sont actifs ; ils pourraient donc être plus efficacement contre-sélectionnés dans les grandes populations. En revanche, les ETs inactifs n’ont peut-être plus d’effet significatif sur la valeur sélective, et l’ADN non codant ne serait alors pas soumis à une forte contre-sélection. Autrement dit, une fois qu’un génome a augmenté en taille, il n’existe pas nécessairement de pression de sélection favorisant sa réduction. En revanche, la contre-sélection des ETs actifs peut limiter cette augmentation dans certaines populations.Une autre perspective est le réusage des données générées dans le projets. Par exemple, le modèle de génomique écologique en milieu souterrain sera utilisé pour étudier l'impact des pertes de fonction de traits du phénotype et des changements trophiques sur les intéractions symbiotiques (ANR DIET).

D'autre part, les approches théoriques (thèse de Juliette Luiselli) offrent des perspectives très riches de développements sur la co-évolution entre taux et patrons de mutation, taux et paysage de recombinaison, et taille et complexité des génomes. Ces pistes théoriques seront explorées plus avant au cours des prochaines années.

Enfin, les travaux effectués à l'interface micro-macro lors de ce projet (thèse de Mélodie Bastian) représentent le point de départ de nouveaux projets de recherche que nous sommes en train de développer autour de (1) la généralisation de l'approche visant à construire des matrices de données intégrées micro-macro sur l'ensemble des gènes orthologues; et (2) une modélisation intégrative de l'évolution court-terme / long-terme de Ne à travers la phylogénie et de son impact sur l'évolution des séquences codantes.

L’origine de la complexité génomique des eucaryotes demeure largement débattue. En 2003, Michael Lynch a proposé que cette complexité ait une origine non-adaptative, les traits génomiques étant contrôlés par un équilibre entre l’apparition de variants faiblement délétères et leur taux de fixation. En vertu de cette hypothèse, la taille efficace de la population (Ne) contrôlerait cet équilibre et serait donc le premier facteur régulant l’architecture des génomes. Bien que très populaire, l’hypothèse de Lynch a été très peu testée empiriquement. Dans le projet NeGA, nous exploiterons des données génomiques issues d’espèces proches mais contrastées en Ne et ce pour 5 groupes d’animaux différents. Nous évaluerons l’influence de Ne sur la taille des génomes et sur la dynamique des éléments transposables. Nous testerons ensuite l’influence de Ne sur la structure des gènes (nombre et taille des introns) et sur la complexité de la transcription (nombre et fréquence des transcrits alternatifs). En parallèle, nous utiliserons des outils de simulation et de modélisation pour comprendre les conditions dans lesquelles la théorie de Lynch échoue, afin, in fine, de redéfinir les contours de cette théorie.