Bayesian codon models for detecting convergent molecular adaptation

Modéliser le jeu combiné de la mutation et de la sélection au niveau moléculaire représente un des objectifs majeurs des sciences de l’évolution. L’acquisition massive de séquences génétiques au cours des dernières années a fourni un matériel abondant pour de telles analyses empiriques. Les modèles à codons sont de plus en plus utilisés en vue de fournir une description réaliste des processus de substitution des séquences codant pour les protéines. Parmi eux, les modèles mécanistes paramétrisent de façon séparée les effets mutationnels et sélectifs qui se combinent au sein du processus substitutionnel. Ces approches mécanistes caractérisent les effets sélectifs en s’appuyant sur un modèle explicite du paysage de fitness auquel la séquence protéique est soumise. Toutefois, jusqu’à présent, le paysage de fitness a toujours été considéré comme constant, alors qu’il existe des situations empiriques pour lesquelles le paysage de fitness subit en réalité des fluctuations écologiques au cours du temps. Lorsqu’une information empirique est par ailleurs disponible, concernant des différences systématiques de pression de sélection en fonction des fluctuations environnementales, il est alors possible de modéliser explicitement ces modulations du paysage de fitness. Nous avons développé un modèle à codons mécaniste, dont le but est de détecter ces effets sélectifs différentiels dépendant des conditions environnementales. Ce modèle a été implémenté dans un cadre d’inférence bayésienne, et a tout d’abord été appliqué au cas de l’évolution du VIH. Le VIH évolue sous la pression du système immunitaire de son hôte humain. Notre modèle de sélection différentielle (DS) décrit les mécanismes détaillés de l’évolution du VIH sous les contraintes induites par le fond génétique de l’hôte (par exemple, le HLA). De ce fait, il permet de trouver des associations entre adaptations du virus et profil HLA des hôtes. À long terme, notre approche permettra une meilleure compréhension du phénomène d’échappement du virus à la surveillance immunitaire de l’hôte, ce qui fournira alors des informations utiles en vue de l’élaboration d’un vaccin efficace contre le SIDA. Nous avons également appliqué notre modèle au gène de la Rubisco, une enzyme responsable d’une étape majeure de la photosynthèse. L’évolution de la Rubisco semble montrer des différences systématiques entre plantes dites C3 et C4, différences liées à des changements environnementaux. En utilisant le modèle DS, nous avons mis en évidence des effets systématiques d’adaptation convergente au niveau moléculaire, chez les espèces C4, par rapport aux espèces C3. Finalement, nous avons contrasté les résultats obtenus avec le modèle DS sur cet exemple avec ceux fournis par les modèles à codons classiques, basés sur l’estimation du dN/dS. Cette analyse comparée nous permet d’illustrer une différence conceptuelle fondamentale entre ces deux types de modèles à codons, concernant le type de régime sélectif que chaque type de modèle cherche à caractériser: à savoir, sélection directionnelle, contre adaptation continuelle.

Keyphrases: Évolution, Mutation, Modèle à Codon, Pression de Sélection, Inférence Bayésienne, Sélection Différentielle, VIH, Rubisco, Mutation, Rubisco