BLANC Genetique Populations v1-1

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Gntique des populationsFlorian BLANC07 Novembre 2011 - Version 1.1Nothing in Evolution makes sense, except in the light of Population Genetics (M. Lynch)Cours gnral sur les bases de la gntique des populations et de la biologie de lvolution, en grande partie crit partir des enseignements de L3 et M1 de lcole Normale Suprieure. La liste des enseignants est indiquedans les rfrences.Lauteur tient galement remercier ses camarades de la promotion Bio10 de lENS, notamment Mirca SO-FONEA, pour leur relecture et leurs remarques ayant permis damliorer ce cours. Lobjectif gnral de tout atant de valider E11. Tous les liens et renvois prsents dans la version pdf sont cliquables.2IntroductionLa gntique est ltude de la transmission des variations dune gnration lautre. On tudie ici la trans-mission des caractres lchelle des populations. La thorie de la gntique des populations est une thoriepresque purement dductive, ce qui est rare en biologie. Elle est en premier lieu fonde sur des prdictionsmises partir de modlisations mathmatiques.Histoire1859 : naissance de la biologie contemporaine avec Darwin1869 : publication des travaux de Mendel1900 : De Vries, Correns, Tschernak (trois botanistes) redcouvrent les travaux de Mendel.1906 : naissance de la gntique.1930 : R. Fischer, J.B.S. Haldane et S. Wright constituent un corpus thorique extrmement cohrent quimarque la naissance de la gntique des populations moderne.Au dbut, pour des raisons diverses tenant notamment des conits personnels, la gntique soppose au dar-winisme. Pour les darwinistes, lvolution est due la slection naturelle. Pour les gnticiens, elle est dueaux mutations. Galton, Pearson, tudient la transmission des caractres quantitatifs (ex : taille). Bateson lui,invente la gntique. La gntique classique est plutt centre sur ltude des caractres qualitatifs (travaux deMendel : lisse/rid vert/jaune). Cest la controverse des Mendeliens contre les Biomtriciens.Lesdeuxapprochessontrconcilieslorsdelasynthseno-darwinienne:auseindunepopulation,ilfautune mutation pour quapparaisse un nouveau phnotype, mais il faut de la slection pour quil se rpande. Laconception dominante (ici schmatise) attribue la slection un rle prpondrant dans lvolution. Aujour-dhui, certains biologistes proposent au contraire des thories trs solides expliquant par exemple lmergencede la complexit (en termes de topologie des rseaux dinteractions gntiques) des Eucaryotes pluricellulairespar des processus non-adaptatifs [1], donnant lieu des dbats parfois vigoureux.1. Surtout aprs le gros carton en G1.2. Alors faites-vous plaisir ! Mais par contre a marche pas avec la version papier.1TABLE DES MATIRES 2Prcisions concernant le vocabulaire Ilyaparfoisdesdivergencesdevocabulaireentregntiquedelaboratoire et gntique des populations. Cela tend devenir problmatique compte-tenu du fait que les deuxcommunauts sont de plus en plus amenes interagir.Un caractre est dit dtermin par les gnes ou lenvironnement, en fonction de la part de variation attri-buable des variations gntiques ou environnementales.Gne : fragment de gnome transcrit.Gnes homologues : gnes codant pour la mme fonction et tant apparis la miose. Ces gnes sont pla-cs la mme position sur la carte du chromosome. La relation dhomologie est une relation dquivalence(rexive, symtrique, transitive). Cela dnit des classes dquivalences. Une classe dquivalence sappelleun locus. Le locus nest donc pas dni par la position sur le chromosome. Parmi les gnes homologues, cer-tains sont isoactifs : ils dterminent le mme phnotype. Lisoaction est une relation dquivalence ; la classedquivalencecorrespondanteestappeleunallle. Deuxgneshomologuesnonisoactifssontenrelationalllomorphique, et on dit communment quils constituent deux allles du mme gne.Table des matires1 Pressions volutives 41.1 Effet de la mutation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2 Effet de la slection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.3 Effet de la migration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.4 Effet de la drive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.5 Lquilibre de Hardy-Weinberg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.6 Mutation et slection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.6.1 Lquilibre mutation-slection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.6.2 La notion de fardeau gntique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 Cas des organismes diplodes 102.1 Le problme de la structure gnotypique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.2 Rgimes de reproduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.2.1 La panmixie et la distribution de Hardy-Weinberg. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.2.2 Choix phnotypiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.3 Pressions volutives et diplodie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.3.1 Mutation, migration, drive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.3.2 Slection en rgime panmictique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 Le polymorphisme 123.1 quilibre mutation-slection chez les diplodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123.1.1 Calcul du fardeau gntique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123.1.2 Exemple dun allle rcessif ltal, problmes lis lautofcondation . . . . . . . . . . . . . 133.2 Polymorphisme vrai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14TABLE DES MATIRES 33.2.1 Super-dominance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143.2.2 Slection frquence-dpendante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163.3 Le paradoxe du fardeau gntique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 La thorie neutraliste de lvolution 204.1 Prsentation de la thorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204.2 La thorie de la coalescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214.2.1 Modle de Wright-Fisher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214.2.2 Identit par ascendance et temps de coalescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214.3 Prise en compte de la mutation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234.4 Neutralistes contre slectionnistes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234.5 Mettre en vidence la slection dans une population soumise la drive . . . . . . . . . . . . . . . 244.5.1 Mthodes bases sur la divergence interspcique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244.5.2 Mthodes bases sur le polymorphisme intraspcique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254.5.3 Mthodes associant les deux approches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254.5.4 Test de Tajima. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264.6 Fixation dallles soumis la slection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264.7 Dsquilibre gamtique et auto-stop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274.7.1 Dsquilibre gamtique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274.7.2 Effet Hill-Robertson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284.7.3 Cration de dsquilibre de liaison. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 Consanguinit et F-statistiques 295.1 Rgimes de reproduction et consanguinit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305.1.1 Autofcondation complte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305.1.2 Autofcondation partielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305.2 Consanguinit et drive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315.3 Les F-statistiques, indicateurs de proximit gntique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325.4 Leffet Wahlund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335.5 FSTet migration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345.5.1 Modle en les de Wright. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345.5.2 Gnralisation aux diffrents types dhrdit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361 PRESSIONS VOLUTIVES 41 Pressions volutivesSoit une population haplode de taille N o coexistent deux allles A et a, chacun prsent en effectif nA et na.On travaillera en frquences : on appellep la frquence de lallleA etq= 1 p la frquence de lalllea. Onsupposera que les gnrations sont non chevauchantes pour pouvoir travailler en temps discret. On appellep

et q

les frquences allliques la gnration suivante. La quantit ip = p

p est lesprance de la variationde la frquence de A due la pression volutive i.Une fois cela dni, on peut regarder comment agissent les pressions volutives sur la composition gntiquede la population. Il y en a quatre : la mutation, la slection, la migration et la drive.1.1 Effet de la mutationOn suppose qu chaque gnration une proportionu des alllesA mute en alllesa (voir dnitions de cestermes en gntique des populations). Doup = u