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Dans le cadre d'un projet du programme France Génomique, des chercheurs ont généré une carte génétique très détaillée chez la levure Saccharomyces cerevisiae. Le séquençage complet de 1011 isolats naturels ainsi que leur caractérisation phénotypique a permis d'avoir l'une des meilleures compréhensions de la diversité génétique et phénotypes chez un organisme modèle eucaryote. Cette étude a été publiée le 11 avril 2018 dans la revue Nature.
Figure: Colonies des isolats de S. cerevisiae qui ont été séquencés et décrits dans le manuscrit en croissance sur milieu solide. La photo a été recouvert d'une carte du monde, les 1011 isolats ayant été collectés à travers le monde et un des résultats présentés dans cette étude correspond à la mise en évidence de l'origine Asiatique de S. cerevisiae.
© Eric Rottinger
L'élucidation de l'origine de l'impressionnante diversité des caractères ou phénotypes dans une population naturelle est un enjeu majeur en biologie. Une étape essentielle dans ce processus est d'explorer la diversité génétique entre individus appartenant à une même espèce. Dans ce contexte, une étude à large échelle a été conduite par les équipes de Joseph Schacherer (Université de Strasbourg / CNRS), Gianni Liti (Université Côte d'Azur, CNRS, INSERM, IRCAN) et le Genoscope (CEA, CNRS, Université d'Evry Val d'Esonne).
Pour cette étude, des isolats ont été collectés afin de représenter au maximum la diversité de cette espèce. Les critères de choix incluaient la localisation (l'ensemble des continents), les activités humaines (l'élaboration de produits laitiers, de vin, de saké, de bière) et des niches écologiques sauvages (insectes, arbres ou fleurs). Les phénotypes de ces isolats ont également été étudiés, notamment leur capacité de croissance dans différentes conditions (conduisant à des réponses physiologiques et cellulaires variées) ce qui a permis d'avoir une vue globale du paysage phénotypique de l'espèce.
L'ensemble des données a révélé des points clés de l'évolution des génomes et de leur impact sur la relation génotype-phénotype. L'analyse fine des variants génétiques a permis de reconstituer l'histoire de cette espèce. Cette étude apporte de nouvelles preuves de l'origine de S. cerevisiaeen Asie de l'Est et suggère une dispersion commune et unique à partir de la Chine. Sous la main de l'homme, la levure a connu des évolutions génomiques et phénotypiques au cours de différents événements de domestication, notamment dans le cadre des processus de fermentation du vin, de la bière et du saké. Ces divers événements de domestication ont eu un impact différent sur l'évolution des génomes. Alors que les isolats provenant de vin et saké sont caractérisés par une faible diversité génétique, les isolats venant de bière présentent une diversité importante et une variabilité génomique beaucoup plus complexe. Plus globalement, les environnements anthropiques favorisent l'expansion et/ou la perte de gènes, conduisant à une variation du contenu des génomes plus importante. Par contre, les isolats sauvages partagent un génome au contenu très similaire et la diversité génétique est majoritairement générée par l'accumulation de mutations.
Cette étude a conduit à une vue d'ensemble de l'importance respective des variations génomiques, comme la ploïdie (nombre de lots chromosomiques), les aneuploïdies (anomalie de cette ploidie) et les introgressions (transferts d'un fragment de génome), qui façonnent l'évolution des génomes et par conséquent le paysage phénotypique d'une espèce. Par exemple, introgressions ou transferts horizontaux sont principalement détectés dans des isolats présents dans des environnements fermentaires. Les chercheurs ont ainsi pu définir le génome de base, aussi appelé 'core-genome', (4940 gènes présents dans tous les isolats) ainsi que le génome accessoire (2908 gènes présents uniquement dans une fraction de la population).
Au sein des 1011 génomes, la majorité des variants génétiques sont à faible fréquence dans la population, ce qui donne un nouvel éclairage sur la relation génotype-phénotype dans une population naturelle (une tendance similaire est observée chez l'Homme). Cela conduit à s'interroger sur l'importance des mutations rares sur la variation phénotypique observée dans toute espèce. Enfin, on peut noter l'importance de la variation des copies de gènes sur la diversité phénotypique qui explique la plus grande partie de la variance phénotype et semble avoir un effet plus important que les mutations ponctuelles.
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