Recombination and base composition evolution : experimental evidence of GC-biased gene conversion in Bacteria
Recombinaison et évolution de la composition en base : démonstration expérimentale de la conversion génique biaisée vers GC chez les Bactéries
Résumé
Genomic base composition is widely variable among Bacteria, with a genomic G and C content ranging from 13% to 75%. This observation has been acknowledged for more than fifty years, yet its biological significance remains quite debated. Mutation accumulation experiments have shown these variations mainly to be due to differences in mutational patterns. However, these experiments have also clearly shown that the great majority of genomes have a higher GC content than expected under the sole action of mutations. Two evolutionary forces can explain this departure: natural selection acting on the base composition, or GC-biased gene conversion (gBGC), a non-adaptative process linked to the repair of mismatch occurring during homologous recombination. This phenomenon of gBGC has been well described in Eukaryotes, and much evidence suggests that it could also affect Bacteria. My Ph.D. project has been focused on the experimental determination of whether homologous recombination leads to gBGC in Bacteria too. And so we performed genome-wide transformation experiments with *Acinetobacter baylyi* and *Bacillus subtilis* and analyzed recombination products. Whole-genome sequencing of transformant clones leads us to quantify conversion frequencies among 2023 conversion tracts in *A. baylyi*, and *549* conversion tracts in *B. subtilis*. We also re-analyzed data coming from similar published experiments performed in *Helicobacter pylori* and *Streptococcus pneumoniae*. In three of the four analyzed species, we detected a significant conversion bias in favor of G and C bases, which constitutes a direct proof of the existence of gBGC in Bacteria. The measured bias intensity stands within a range that could explain the gap between observed base composition and base composition expected at mutational equilibrium. Our observations demonstrate that this non-adaptive process can deeply affect the genome evolution of Bacteria, which, owing to the alleged large effective population size, are often perceived as being determined by the sole action of natural selection. Interestingly, we found that gBGC occurs differently with regards to genomic contexts and species: in *A. baylyi*, we found a strong gBGC specifically associated with short conversion tracts, which suggests it might be due to the BER machinery (Base Excision Repair), as it has been proposed in Mammals as well. On the other hand, in *H. pylori* and *S. pneumoniae*, gBGC occurs on long conversion tracts extremities --- as has been described for Yeast. This suggests that different molecular mechanisms are causing gBGC in different lineages. This convergent evolution raises the question of selective constraints that might govern the evolution of gBGC.This manuscript is focused on the description of the question of the origin of the variability in base composition, of recombination within Prokaryotes, and of how the two processes jointly might give weight to the GC-biased gene conversion hypothesis.
La composition en base des génomes varie très fortement entre espèce bactériennes, avec une gamme de taux de G+C génomique s'étalant de 13% jusqu’à 75%. Ce phénomène est connu depuis plus de 50 ans, mais sa signification biologique reste fortement débattue. Des expériences d'accumulation de mutations ont permis de démontrer que ces variations de G+C sont principalement dues à des différences de patron mutationnel.Cependant, ces expériences ont également montré que la grande majorité des génomes ont un taux de G+C supérieur à celui attendu à l'équilibre mutationnel. Deux forces évolutives peuvent expliquer cet écart: la sélection naturelle et la conversion génique biaisée vers GC (gBGC) – processus non-adaptatif lié à des biais de réparation des mésappariements au cours de la recombinaison homologue.Le phénomène de gBGC a été bien caractérisé chez plusieurs eucaryotes, et plusieurs indices suggèrent qu'il pourrait également affecter des bactéries. Mon travail de thèse a été consacré à déterminer empiriquement si la recombinaison homologue provoque de la gBGC chez des bactéries. Pour cela nous avons réalisé des expériences de transformation chez *Acinetobacter baylyi* et *Bacillus subtilis* puis analysé les produits de recombinaison. Le séquençage des génomes de clones transformants a permis de quantifier les fréquences de conversion parmi 2023 régions recombinantes chez *A. baylyi*, et 549 régions recombinantes chez *B. subtilis*. Nous avons également ré-analysé les données issues d'expériences similaires publiées pour deux autres espèces : *Helicobacter pylori*, *Streptococcus pneumoniae*. Dans trois des quatre espèces analysées, nous avons observé un biais de réparation en faveur des bases GC, ce qui constitue une preuve directe de l'existence de la gBGC chez ces bactéries. L'intensité du biais que nous avons mesuré est compatible avec celui nécessaire pour expliquer l'écart entre la composition en base observée et celle attendue à l'équilibre mutationnel. Nos observations démontrent que ce processus non-adaptatif peut affecter fortement l'évolution des génomes de bactéries, qui, en raison des grandes tailles de population supposées, sont souvent perçus comme déterminés quasi-exclusivement par la sélection naturelle. De façon intéressante, nous avons constaté que la gBGC se manifeste différemment selon les contextes génomiques et selon les espèces : chez *A. baylyi*, nous avons observé un fort gBGC spécifiquement dans les tracts de conversion impliquant un seul SNP --- ce qui suggère un rôle possible de la machinerie BER (Base Excision Repair), comme cela a également été proposé chez les mammifères. A l'inverse, chez *H. pylori*, et *S. pneumoniae*, la gBGC se manifeste uniquement aux extrémités de longs tracts de conversion --- tout comme cela a été décrit chez la Levure. Cela suggère que différents mécanismes moléculaires sont à l'origine de la gBGC observée dans différentes lignées. Cette évolution convergente soulève la question des contraintes sélectives susceptibles de gouverner l'évolution de la gBGC. Ce manuscrit sera consacré à la description de la question des origines de la variabilité en composition en base connue, à la question de la recombinaison chez les procaryotes, et à la façon dont les deux processus conjoints permettent d'apporter du poids à l'hypothèse de la conversion génique biaisée.
Origine : Version validée par le jury (STAR)