The impact of random genetic drift on the evolution of genes base composition and expression complexity in metazoans
Impact de la dérive génétique sur l’évolution de la composition en base des gènes et de la complexité du transcriptome chez les métazoaires
Résumé
Genomes exhibit remarkable diversity, varying in size, base composition, expression, num- ber of genes etc. Understanding the origin of these changes captivates. Three evolution- ary forces have shaped genomes: mutation, i.e. the creation of new alleles; selection, i.e. the impact of alleles on fitness; random genetic drift, i.e. the random sampling of alleles through generations. While, over time, beneficial mutations (i.e. which have contributed to the adaptation of species to their environment) have become fixed in the genomes, natural selection alone cannot explain all the diversity observed at the molecular level.
Instead, the neutral theory of evolution posits that mutations with negligible effects on individual fitness also play a significant role in shaping genome evolution. Specifically, the nearly neutral theory suggests that the efficiency to purge (or fix) slightly deleterious (or advantageous) mutations, depends on the ability of selection to overcome drift hazard. If selective pressure on specific biological traits remains constant, a genome’s ability to attain optimality becomes limited by drift. This hypothesis known as the “drift barrier” predicts that species with strong drift, and thus small effective population size (Ne), have a poorly optimized genome compared to those with larger effective population sizes.
Throughout my thesis I studied the impact of random genetic drift on genomes ar- chitecture in animals. To do so, I collected numerous genomes, from 1,507 species, and transcriptomes, from 15,935 RNA-seq samples, to analyze their transcriptomic diversity and coding sequences composition. These analyses are shared in a bio-informatic data resource along with effective population size proxies.
One key aspect of my research involved investigating how increasing drift intensity af- fects transcriptomic diversity, through the study of splicing variants. Our results demon- strated that drift limits the capacity of selection to optimize the splicing machinery in genomes. It ultimately leads to the production of many spurious transcripts in species with small Ne, such as human.
I investigated another characteristic of genomes base composition, the use of synony- mous codons in metazoans. Our research revealed that in species where translational selection (i.e. promoting the use of codons optimizing translation process) is detected, the population-scaled selection coefficient is small. This suggests that translational se- lection can be efficient only in species with large effective population size, elucidating its rarity in metazoans. Nevertheless, intriguingly, certain species with large Ne did not show translational selection signals, which implies that the selective advantage in optimizing the translation process varies across species.
Overall, this thesis underscores the impact of drift on genome architecture and pro- vides an interesting conceptual framework, along with a collection of reusable data, to examine what is or is not under selection in our genomes.
Les génomes présentent une diversité remarquable, variant en taille, composition en base, expression, nombre de gènes etc. Comprendre l’origine de ces changements captive. Trois forces évolutives sont à l’oeuvre: la mutation, i.e. la création de nouveaux allèles; la sélection, i.e. l’impact des allèles sur la fitness; la dérive génétique aléatoire, i.e. l’échantillonnage aléatoire des allèles au fil des générations. Si, au cours de l’évolution, des mutations bénéfiques (i.e. qui ont contribué à l’adaptation des espèces à leur environnement) se sont fixées dans les génomes, la sélection naturelle ne peut à elle seule expliquer toute la diversité observée au niveau moléculaire.
La théorie neutraliste de l’évolution nous apprend que les mutations ayant des effets négligeables sur la fitness d’un organisme jouent également un rˆole important dans l’évolution des génomes. Plus précisément, la théorie quasi-neutraliste suggère que l’efficacité à purger (ou fixer) des mutations légèrement délétères (ou avantageuses), dépend de la capacité de la sélection à dominer les effets aléatoires de la dérive. A pression sélective égale, la capacité d’un génome à atteindre l’optimal est ainsi limitée par l’intensité de la dérive à laquelle il est soumis. Cette hypothèse, connue sous le nom de ”barrière de la dérive”, prédit que les espèces à forte dérive, et donc à faible taille efficace (Ne), ont un génome moins bien optimisé que celles qui présentent une Ne plus grande.
Au cours de ma thèse, j’ai étudié l’impact de la dérive génétique sur l’architecture des génomes chez les animaux. Pour ce faire, j’ai collecté de nombreux génomes et tran- scriptomes, provenant de 1,507 espèces et 15,935 échantillons RNA-seq, afin d’analyser la diversité transcriptomique et la composition des séquences codantes. Ces analyses sont présentées dans une base de données bio-informatique, incluant des estimateurs de Ne.
Ainsi, j’ai étudié l’influence de la dérive sur la diversité transcriptomique, à travers la quantification des variants d’épissage. Nos résultats ont démontré que la dérive limite la capacité de la sélection à optimiser la machinerie d’épissage dans les génomes. Ce qui provoque la production de nombreux transcrits erronés chez les espèces à faible Ne, comme l’Homme.
Je me suis intéressé à un autre trait de la composition en base des génomes, et en par- ticulier l’usage des codons synonymes chez les métazoaires. Nos résultats ont révélé que chez les espèces ou` la sélection traductionnelle (i.e. favorisant l’utilisation de codons op- timisant le processus de traduction) est détectée, le coefficient de sélection à l’échelle pop- ulationnelle est faible. Cela suggère que la sélection traductionnelle ne peut être efficace que chez les espèces à grande Ne, justifiant sa rareté chez les métazoaires. Néanmoins, certaines espèces ayant une grande Ne ne montrent pas de signaux de sélection traduc- tionnelle, suggérant que l’avantage sélectif à optimiser le processus de traduction varie.
Finalement, cette thèse illustre l’impact de la dérive sur l’architecture des génomes et fournit un cadre conceptuel intéressant, ainsi qu’une collection de données réutilisables, pour examiner ce qui est ou n’est pas soumis à la sélection dans nos génomes.
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