Dynamique évolutive de l'ADN mitochondrial des oiseaux et des mammifères : Mutation, Sélection et Taille des populations

Mitochondrial DNA evolutionary dynamics of birds and mammals : Mutation, Selection and Population size

• Auteur / Autrice : Benoît Nabholz
• Direction : Nicolas Galtier, Sylvain Glémin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie des populations et écologie
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Montpellier 2

Mots clés

Mots clés contrôlés

Phylogénie

Génome

Variabilité génétique

Mutation (biologie)

Mots clés libres

Mutation

Diversité génétique

Génome mitochondrial

Longévité

Oiseaux

Mammifères

Taille des populations

Sélection

Evolution moléculaire

Phylogénie

Résumé

L'origine et l'évolution du génome mitochondrial sont fascinantes par de nombreux aspects. Aujourd'hui, ce génome représente moins de 1% de l'ensemble de l'ADN de la majorité des animaux mais il héberge quelques uns des gènes les plus essentiels aux fonctions métaboliques. L'hypermutabilité mitochondriale est, chez les animaux, l'une de ses caractéristiques les plus singulières. L'étude du déterminisme du taux de mutation mitochondrial est le premier objectif de cette thèse. Par une approche phylogénétique précise, nous avons obtenu le taux de mutation de plus d'un millier d'esp`eces d'oiseaux et de mammifères. Nous avons révélé une gamme de variation très importante entre espèces, cette variation allant jusqu'à couvrir deux ordres de grandeur chez les mammifères. Grâce à une étude intra-classe et par la comparaison entre les oiseaux et les mammifères, nous avons montré que cette variation pouvait ˆetre en lien avec la longévité des organismes à travers une sélection pour une réduction du taux de mutation mitochondrial chez les espèces longévives. La deuxième partie de cette thèse concerne l'action de la sélection naturelle et de la dérive génétique sur l'évolution de l'ADN mitochondrial (ADNmt). Prenant comme point de départ les récentes preuves de sélection positive dans l'évolution de l'ADNmt (notamment chez les invertébrés), nous détectons, a contrario, essentiellement les traces de la sélection purificatrice chez les oiseaux et les mammifères. De manière plus surprenante, nous avons montré que la taille des populations n'est apparemment pas liée au niveau de polymorphisme mitochondrial des espèces, mais influencé, en revanche, l'efficacité de la sélection, mesurée au travers de la quantité de mutations faiblement délétères qui se fixent au cours de la divergence. Nous proposons qu'une forte stochasticité temporelle de la taille des populations pourrait expliquer ce résultat. L'ensemble de ces résultats participent à la compréhension de l'évolution d'un génome singulier, et a également des implications sur les utilisateurs, particulièrement nombreux, de l'ADN mitochondrial en temps que marqueur moléculaire

The origin and evolution of mitochondrial genome is fascinating. Currently, it makes up less than 1% of the whole organism genome, but contains some of the most important genes. A particularly intriguing feature of the animal mitochondrial genome is its hypermutability. The first goal of this work is to progress in our understanding of the determinism of mitochondrial DNA (mtDNA) substitution rate variations by distinguishing between two classical hypotheses of evolutionary biology –the generation time hypothesis and the metabolic rate hypothesis– and an other hypothesis that comes from biomedecine, namely the longevity hypothesis. Using a phylogenetic approach, we obtained lineage-specific mitochondrial mutation rates across more than one thousand bird and mammalian species. This analysis reveals an unexpectedly high level of mitochondrial mutation rate variation between lineages. The bird/mammal comparison and a within-class analysis suggest that this variation could be linked to species longevity through a (direct or indirect) selective pressure reducing the mitochondrial mutation rate in long-lived species. In the second part of this work, we address the impact of natural selection and genetic drift on mtDNA. Recent evidence of positive selection acting on mtDNA (mostly in invertebrates) was used as a starting point. We showed that, contrary to invertebrates species, bird and mammal mtDNA evolution is mainly under purifying selection. Surprisingly, even in the absence of positive selection, population size variations have no effect on mtDNA genetic diversity, but influence the rate of non-synonymous substitutions. This result could be explained by strong stochasticity of population sizes. All these results contribute to increase our understanding of an unusually evolving genome, and also have implications for the numerous users of mtDNA as a tool to reconstruct population and species history