Adaptation moléculaire et détection de la sélection

L'adaptation moléculaire est un changement évolutif dans les séquences, induit par la sélection positive, et une série de tests statistiques permettent de détecter ses signatures par rapport à un fond neutre.

Definition

L'adaptation moléculaire fait référence aux changements dans les séquences d'acides nucléiques ou de protéines favorisés par la sélection naturelle positive. La détection de la sélection englobe les méthodes statistiques utilisées pour identifier de tels changements adaptatifs et les distinguer de l'évolution neutre et des effets démographiques.

Scope

Ce sujet aborde la manière dont la sélection naturelle laisse des marques détectables dans les données moléculaires, la comparaison des taux de substitution non-synonymes et synonymes, les tests qui contrastent le polymorphisme avec la divergence, les analyses de balayages sélectifs (selective sweeps), et les défis liés à la distinction entre la sélection et l'histoire démographique.

Core questions

• Comment la sélection positive laisse-t-elle une signature détectable dans les données de séquence ?
• Que révèle le rapport des substitutions non-synonymes aux substitutions synonymes sur la sélection ?
• Comment les tests contrastant le polymorphisme et la divergence identifient-ils l'adaptation ?
• Comment les balayages sélectifs (selective sweeps) peuvent-ils être détectés, et comment la sélection est-elle séparée de la démographie ?

Key theories

Tests de rapport de taux de sélection

La comparaison du taux de substitutions modifiant les acides aminés (non-synonymes) aux substitutions silencieuses (synonymes) révèle une sélection purificatrice lorsque le rapport est faible et une sélection positive lorsqu'il dépasse un, en utilisant les attentes neutres comme référence.

Tests de polymorphisme-divergence

Les cadres qui contrastent le polymorphisme intra-espèce avec la divergence inter-espèces au niveau des sites sélectionnés par rapport aux sites neutres estiment la proportion de substitutions induites par l'adaptation.

Mechanisms

La détection de la sélection repose sur des écarts par rapport aux attentes neutres. Le rapport dN/dS compare les taux de substitution modifiant les acides aminés aux taux de substitution synonymes : des valeurs inférieures à un indiquent une sélection purificatrice et des valeurs supérieures à un indiquent une sélection positive récurrente. Les tests basés sur le spectre de fréquence des sites (site frequency spectrum) détectent l'asymétrie vers les variants rares laissée par les balayages sélectifs (sweeps) récents. Les méthodes contrastant le polymorphisme au sein des espèces avec la divergence entre espèces répartissent les substitutions en classes neutres et adaptatives. Étant donné que la croissance démographique, les goulots d'étranglement (bottlenecks) et la structure des populations peuvent imiter la sélection, une inférence robuste nécessite de contrôler l'histoire démographique, souvent en comparant les régions candidates à des fonds neutres à l'échelle du génome.

Clinical relevance

La détection de l'adaptation moléculaire permet de localiser les gènes en évolution rapide dans les conflits hôte-pathogène, les loci du système immunitaire et les cibles médicamenteuses, aidant ainsi à identifier les sites soumis à une sélection pour la résistance ou l'échappement immunitaire, ce qui est pertinent pour la conception de vaccins et de thérapies.

History

Suite à la théorie neutre, les méthodes de détection de la sélection se sont développées rapidement : les modèles dN/dS basés sur les codons et le contraste du polymorphisme avec la divergence sont apparus à la fin des années 1980 et dans les années 1990. Le séquençage à l'échelle du génome a ensuite permis des analyses de balayages sélectifs (selective sweeps) et des estimations du taux d'évolution adaptative à l'échelle du génome.

Debates

Séparer la sélection de la démographie

Étant donné que les événements démographiques et la sélection peuvent produire des signatures qui se chevauchent dans les données de séquence, la fiabilité des analyses de sélection à l'échelle du génome et des estimations de l'adaptation demeure une préoccupation méthodologique.

Key figures

• Masatoshi Nei
• Ziheng Yang
• John McDonald
• Martin Kreitman

Seminal works

• saetreRavinet2019
• futuyma2017
• ohta1973

Frequently asked questions

Qu'indique un rapport dN/dS supérieur à un ?

Il indique que les substitutions modifiant les acides aminés se sont accumulées plus rapidement que les substitutions silencieuses, une signature de sélection positive récurrente favorisant le changement de protéine au niveau de ce gène ou de cet ensemble de sites.

Pourquoi la démographie pose-t-elle un problème pour la détection de la sélection ?

Parce que les changements de taille de population, les goulots d'étranglement (bottlenecks) et la structure des populations peuvent produire des motifs de séquence ressemblant à ceux laissés par la sélection, les analyses doivent tenir compte de l'histoire démographique pour éviter de la confondre avec l'adaptation.