Plasticité du génome au cours d'une expérience d'évolution au long terme chez Escherichia Coli

par Colin Raeside

Thèse de doctorat en Virologie microbiologie immunologie

Sous la direction de Dominique Schneider et de Joël Gaffé.

Le président du jury était Patricia Renesto.

Le jury était composé de Olivier Tenaillon.

Les rapporteurs étaient Amel Latifi, Guillaume Beslon.


  • Résumé

    Les réarrangements d'ADN à grande échelle, tels que inversions, amplifications, duplications, délétions, insertions et transposition des éléments génétiques mobiles, sont des acteurs essentiels de l'évolution. Ils ont une forte incidence sur l'organisation et l'expression des chromosomes, ce qui affecte le phénotype des organismes. Toutefois, la dynamique de ces réarrangements au cours de l'évolution et leurs effets sur l'adaptation des organismes sont souvent inconnus. Nous avons abordé ces questions en utilisant la plus longue expérience d'évolution en cours. A partir d'un ancêtre commun d'Escherichia coli, douze populations indépendantes sont cultivées dans un milieu limité en glucose depuis plus de 60 000 générations, soit 26 ans. La plupart des études antérieures ont porté sur les mutations ponctuelles et les petites insertions et délétions (InDels). En utilisant des clones isolés au cours du temps dans ces 12 populations, nous avons caractérisé les réarrangements d'ADN à grande échelle à la fois par l'analyse des séquences de génomes et par cartographie optique. A 40 000 générations, nous avons identifié 110 réarrangements parmi lesquelles 82 délétions, 19 inversions et 9 duplications. Plusieurs régions du chromosome ont été touchées à plusieurs reprises par le même type de réarrangements dans des populations indépendantes. Dans une des populations au moins, les réarrangements se sont produits au début de l'expérience d'évolution, au moment où l'augmentation de la valeur sélective est la plus élevée. Par conséquent, certains de ces réarrangements pourraient être bénéfiques dans ces conditions. Même dans le cas contraire, nous avons montré que ces réarrangements affectaient fortement la structure du chromosome au cours de l'expérience d'évolution.Au niveau moléculaire, nous avons montré que ~ 70% des réarrangements se produisent par recombinaison entre séquences d'insertion (IS), ce qui illustre l'importance de ces dernières dans la plasticité du génome. Nous avons donc caractérisé la distribution et la dynamique de ces petits éléments génétiques mobiles dans l'ensemble des 12 populations. Nous avons montré que les éléments IS ont fortement contribué à l'ensemble des mutations après 40 000 générations. Dans une population, les IS représentent même la moitié des mutations, et un des types d'IS, IS150, présente une forte prolifération avec 6 fois plus de copies à 40 000 générations, intervenant dans la plupart des réarrangements détectés dans cette population. Nous avons montré une forte dynamique temporelle d'IS150, avec une forte expansion suivie d'une domestication par l'hôte. En testant trois scenarii évolutifs, nous avons démontré que l'expansion d'IS150 était liée à une forte augmentation de la valeur sélective conférée par les événements initiaux de transposition ayant eu lieu avant 2000 générations. Plus tard, entre 20 000 et 40 000 générations, nous avons mesuré une diminution de la fréquence de transposition, probablement en raison d'une régulation négative de la transposition imposée par l'hôte. Enfin, et pour la première fois, nous avons développé un modèle d'évolution de la dynamique des IS, qui confirme que leur expansion est liée à un nombre seuil d'insertions bénéfiques initiales. Ces résultats montrent que les réarrangements chromosomiques à grande échelle et les éléments IS ont joué un rôle actif dans la trajectoire évolutive au cours de 40 000 générations d'évolution bactérienne.

  • Titre traduit

    Plasticity of the genome of the course of a long term evolution experiment in Escherichia coli


  • Résumé

    Large-scale DNA rearrangements, including inversions, amplifications, duplications, deletions, insertions, and transposition of mobile genetic elements, are major drivers of evolution and strongly impact on chromosome organization and expression, thereby altering organismal phenotypes. However, their long-term evolutionary dynamics and effects on organismal fitness are often unknown. We addressed these questions by using the longest-running evolution experiment, during which twelve independent populations are propagated from a common E. coli ancestor in a glucose-limited environment for now over 60,000 generations (26 years). Most past studies have focused on point mutations and small InDels. Using evolved clones sampled over time in all 12 populations, we characterized all large-scale DNA rearrangements by using whole genome sequences and Whole Genome MappingTM (i.e optical mapping). After 40,000 generations, we identified a total of 110 rearrangements including 82 deletions, 19 inversions and 9 duplications. Many chromosomal regions were repeatedly affected by similar rearrangements and, at least in one population, they occurred early in evolution when fitness increase was strong. Therefore, many rearrangements may be under positive selection. At the very least, these rearrangements strongly affected the structure of the chromosome during evolution.At the molecular level, we showed that ~ 70% of all rearrangements occurred by recombination between Insertion Sequence (IS) elements, illustrating their importance in mediating genome plasticity. We therefore investigated the distribution and temporal dynamics of these small mobile genetic elements in all 12 populations. We showed that IS elements were strong contributors of the total mutations after 40,000 generations. In one population, they even represented about half of the total mutations and one IS type, IS150, revealed a strong 6-fold increase in copy number, accounting for the production of most of the rearrangements detected in this population. We showed that IS150 revealed a dynamic temporal behavior with a strong expansion followed by domestication by the host. By testing three evolutionary scenarios, we demonstrated that the IS150 expansion was related to a strong fitness increase conferred by the initial transposition events that occurred before 2000 generations. Later, between 20,000 and 40,000 generations, we measured a decreased transposition frequency, likely owing to a down regulation imposed by the host. Finally, and for the first time, we developed an evolution model of IS dynamics confirming that the IS expansion was related to a threshold number of initial IS beneficial insertions. All of our data showed that large-scale chromosomal rearrangements and IS elements have played an active role in the evolutionary outcomes after 40,000 generations of bacterial evolution.


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