EVOLUTION PAR DUPLICATION SUCCESSIVE DU GÉNOME CHEZ LES XENOPODINAE

EVOLUTION BY GENOME DUPLICATION IN XENOPODINAE

• Auteur / Autrice : Zhen Li
• Direction : Nicolas Pollet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Évolution
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Structure et dynamique des systèmes vivants (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Évolution, génomes, comportement et écologie (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)

Mots clés

Mots clés libres

Polyploïdie

Génomique

Amphibiens

Spéciation

Xénope

ADN répété

Repeated DNA

Amphibians

Xenopus

Genomics

Polyploidy

Speciation

Résumé

Des événements de duplication du génome par polyploïdisation ont marqué l'histoire évolutive de nombreux génomes eucaryotes. De telles duplications ont même été qualifiées de « master mutations » car elles ont permis l'accumulation de mutations ultérieures telles que substitutions, insertions, suppressions, qui ont agi plus localement sur le génome dupliqué. La polyploïdisation est reconnue comme un important mécanisme de l'évolution, capable d'entraîner rapidement des changements structurels des génomes puis une spéciation. Cela est vrai non seulement pour les plantes où les polyploïdes sont communs, mais aussi dans tout l'arbre de vie, y compris les champignons passés et présents, les ciliés, les arthropodes et les vertébrés. Le plus récent évènement de duplication complète du génome (WGD) documenté chez les vertébrés s'est produit dans la lignée des xénopes. Il existe 26 espèces de xénopes pour lesquelles la spéciation est associée à quatre niveaux de changement de ploïdie, de 2X à 12X. Ces espèces sont issues d'événements d'allopolyploïdisation qui se sont produits entre une et quelques dizaines de MYA. Par conséquent, nous pensons que l'étude de la polyploïdisation chez ces grenouilles mettra en lumière les mécanismes permettant aux vertébrés de supporter des chocs de WGD successifs jusqu'à des niveaux élevés de ploïdie. La biologie des xénopes étant particulièrement riche d'approches combinant la génétique moléculaire, la biologie cellulaire, l'embryologie et la physiologie, il est désormais possible de poser des questions mécanistes fondamentales sur les liens entre la taille et le contenu du génome et les différents processus cellulaires, de développement et d'évolution. Les études de l'évolution des gènes par duplication entre le génome diploïde X. tropicalis et l'allotétraploïde X. laevis ont montré que des catégories spécifiques de gènes structuraux et fonctionnels sont affectées par la polyploïdisation. Les processus de fractionnement et de dominance du sous-génome sont actifs dans le génome polyploïde de X. laevis. Des expériences comparant X. tropicalis à X. laevis ont également montré l'impact de la ploïdie sur la mise à l'échelle des compartiments cellulaires. Mais nous avons observé que la taille corporelle n'est pas corrélée à la taille du génome chez les Xenopodinae, en contradiction avec la littérature consacrée à X. laevis et X. tropicalis. Nous déduisons de ces résultats que l'étude des niveaux de ploïdie supplémentaires résultant des événements de polyploïdisation successifs chez les Xenopodinae donnera une meilleure image et plus de perspicacités sur i) comment l'évolution moléculaire est conduite par les duplications successives du génome dans un organisme vertébré et ii) quels gènes et processus sont touchés et dans quelle mesure. Nous utiliserons une approche génomique et transcriptomique pour construire des catalogues de gènes pour un assortiment d'espèces polyploïdes de xénopes. Premièrement, nous voulons étudier une espèce tétraploïde plus proche du diploïde X. tropicalis que X. laevis, car il existe une divergence estimée de 48 MYA entre ces deux. Nous avons choisi X. mellotropicalis car il s'agit d'une espèce tétraploïde commune présente dans tout le Gabon, sa parenté phylogénétique avec X. tropicalis est bien documentée et nous avons des données préliminaires sur cette espèce. Deuxièmement, nous voulons étudier les espèces octoploïdes et dodécaploïdes pour documenter l'évolution des gènes après ces cycles supplémentaires de polyploïdie. Nous avons sélectionné l'octoploïde X. amieti et le dodécaploïde X. eysoole car nous avons accès à des grenouilles vivantes de ces espèces dans notre animalerie, et ces deux espèces sont phylogénétiquement étroitement liées. Nous obtiendrons des données de séquençage du génome à une profondeur équivalente à au moins 10X de la taille du génome pour un ensemble de xénopes diploïdes (X. tropicalis), tétraploïdes (X. mellotropicalis), octoploïdes (X. amieti) et dodécaploïdes (X. eysoole). Nous nous appuierons sur le séquençage d'ADNc de Nanopore pour faciliter l'identification des gènes dupliqués. Nous allons ensuite construire des profils d'expression développementaux sur un sous-ensemble de stades de développement. Nous analyserons les données génomiques et transcriptomiques par assemblage et par alignement sur les génomes de référence de X. tropicalis et X. laevis. Ces données seront ensuite intégrées à la base de données Xenbase (www.xenbase.org). Plusieurs questions seront abordées à l'aide de ces données. Quel est le taux et quels sont les gènes rediploïdisés dans ces génomes ? Quel peut être l'impact des différences de quantité d'ADN sur le développement et la physiologie de ces xénopes ?

One or more events of genome duplication by polyploidization hallmarked the evolutionary history of numerous eukaryotic genomes. Such duplications have even been called “master mutations” since they set out the stage for the accumulation of subsequent mutations such as substitutions, insertions, deletions, that act more locally on the duplicated genome. Polyploidisation is acknowledged as an important mechanism driving structural changes of genomes and speciation during evolution. This is true not only in plants where polyploids are common but also all across the tree of life including past and present Fungi, Ciliates, Arthropods and Vertebrates. The most recent documented WGD in vertebrates happened in the Xenopus lineage. There are 26 Xenopus species for which speciation is associated with four levels of ploidy change, from 2X to 12X. These species originate from allopolyploidization events that happened between one and a few tens of MYA. Therefore, we think that studying polyploidization in these frogs will shed light on the mechanisms allowing vertebrate animal organisms to sustain successive WGD shocks up to high levels of ploidy. As the biology of Xenopus is particularly rich in approaches combining molecular genetics, cell biology, embryology and physiology, it is now possible to ask fundamental mechanistic questions about the links between the size and content of the genome and different cellular, developmental and evolutionary processes. The studies of gene evolution by duplication between the diploid X. tropicalis and the allotetraploid X. laevis genome have shown that specific structural and functional gene categories are impacted by polyploidization. The processes of fractionation and subgenome dominance are active in the polyploid X. laevis genome. Experiments comparing X. tropicalis to X. laevis have also shown the impact of ploidy on cellular and sub-cellular scaling. But we observed that body size is not correlative to genome size in Xenopodinae, in contradiction to the literature focused on X. laevis and X. tropicalis. We deduce from these findings that the study of additional ploidy levels resulting from successive polyploidizations events in Xenopodinae will give a better picture and more insights on i) how molecular evolution is driven by successive genome duplications in a vertebrate organism and ii) what genes and processes are impacted and to what extent. We will use a genomics and transcriptomics approach to build gene catalogs for an assortment of Xenopus polyploid species. First, we want to study a tetraploid species more closely related to the diploid X. tropicalis than X. laevis, because there is an estimated divergence of 48 MYA between these two. We chose X. mellotropicalis because it is a common tetraploid species found all over Gabon, its phylogenetic relatedness to X. tropicalis is well documented and we have preliminary data on this species. Second, we want to study octoploid and dodecaploid species to document gene evolution after these extra rounds of polyploidy. We selected the octoploid X. amieti, and the dodecaploid X. eysoole as we have access to live frogs from these species in our animal facility, and these two species are phylogenetically closely related. We will obtain long read genome sequencing data at a depth equivalent to 10X of the genome size for a set of diploid (X. tropicalis), tetraploid (X. mellotropicalis), octoploid (X. amieti) and dodecaploid (X. eysoole) Xenopus species. We will extract RNA from embryos at different stages of development and from different adult tissues to prepare a cDNA pool for sequencing. We will rely on Nanopore cDNA sequencing to facilitate the identification of homeologues. We will then build developmental expression profiles on a subset of developmental stages. We will analyze the genomic and transcriptomic data by assembly and by alignment on the reference genomes of X. tropicalis and X. laevis. These data will then be integrated into the Xenbase database (www.xenbase.org). Several questions will be addressed using these data. What is the rate and what are the genes rediploidized in these genomes? What can be the impact of differences in the amount of DNA on the development and physiology of these Xenopus?