Institut de Biologie de l'École Normale Supérieure ENS . CNRS UMR8197 . Inserm U1024 Directeur : Pierre Paoletti

Évolution des Caenorhabditis

L’équipe combine biologie de laboratoire et approches éco-évolutives sur un organisme modèle, le ver nématode Caenorhabditis elegans.

Alors que les processus biologiques sont généralement étudiés au laboratoire dans un seul environnement et un seul fonds génétique, notre approche est de placer un système biologique dans son contexte évolutif et environnemental. Dit autrement, nous intégrons les mécanismes de développement et de biologie cellulaire à la biologie de l’évolution.

Thèmes de recherche

• Biologie évolutive des systèmes : Evolution quantitative d’un réseau de signalisation intercellulaire, modulation expérimentale et modélisation, évolution de la relation génotype-phénotype
• Génétique quantitative : Base génétique de la variation phénotypique (développement, immunité, reproduction, expression génétique, hérédité des petits ARNs)
• Génomique évolutive : Suivi de populations sauvages, polymorphismes structuraux et transposons
• Populations naturelles de Caenorhabditis : Habitat, nouvelles espèces, structure des populations et modes de reproduction
• Evolution hôte-parasite : Microbes associés à des espèces de Caenorhabditis, évolution de la relation hôte-parasite, évolution des voies des petits ARNs
• Evolution de l’hérédité médiée par les petits ARNs et immortalité de la lignée germinale

Faits marquants

Etudes quantitatives du développement et de sa variation

L’équipe a introduit des études quantitatives du développement sur le système modèle de la vulve de C. elegans, en particulier pour étudier sa robustesse ou sensibilité à des perturbations environnementales ou génétiques et à des modifications quantitatives de voies de signalisation.

Ces études montrent l’effet du contexte environnemental et du fonds génétique dans l’expressivité des mutations, relativisant les résultats de cribles génétiques dans un contexte de référence.
Un résultat majeur concerne l’évolution des voies de signalisation spécifiant les cellules de la vulve : alors que le motif final de destinées des cellules centrales est invariant, l’équipe montre que la route développementale qui y conduit évolue entre espèces et varie au sein d’une espèce en fonction du fonds génétique et de l’environnement - un exemple clé de ce qui a été appelé la "dérive des systèmes développementaux". Différentes espèces de Caenorhabditis sont localisées dans l’espace de paramètres d’un modèle quantitatif du réseau de signalisation.

Biais de développement et son effet dans l’évolution

Une contribution majeure de l’équipe concerne l’effet évolutif de la relation entre génotype et phénotype : si la mutation affecte les gènes au hasard, elle n’affecte pas forcément les phénotypes au hasard. Grâce à des lignées d’accumulation de mutation établies à partir de différents fonds génétiques sauvages, l’équipe a mesuré la capacité à évoluer (=variance mutationnelle, évolvabilité) des destinées des différentes cellules précurseures de la vulve. Cette capacité à évoluer évolue elle-même, et correspond aux tendances évolutives à l’échelle de différents genres et espèces.

Le trait de développement le plus variable est hautement sensible au dosage génique de signaux Wnts diffusant à longue distance (représentés très schématiquement ci-dessous).

La relation génotype-phénotype, via le développement ou tout processus de formation des phénotypes, biaise ainsi la distribution de phénotypes disponibles à la sélection et affecte leur vitesse d’évolution. Ceci démontre le rôle de la relation génotype-phénotype dans les tendances évolutives et les explique par une sensibilité différente des mécanismes de développement. Ces résultats ont des implications fortes concernant les rôles respectifs dans l’évolution du biais de développement et de la sélection.

Populations naturelles

L’équipe est aussi "sortie du laboratoire" pour aller chercher et étudier sur le terrain des populations naturelles de cet organisme modèle, dont on ne savait pas où et comment il vivait.

Elle a ainsi trouvé des populations de C. elegans en croissance dans des végétaux en décomposition (fruits, fleurs, tiges). Cette identification de l’habitat de l’espèce a permis la découverte de nombreux variants de C. elegans et de nouvelles espèces du même genre, qui sont devenus la base d’études variées, particulièrement sur la spéciation. Les données démographiques définissent un cycle de vie dans la nature pour cet organisme modèle : C. elegans prolifère rapidement sur quelques générations dans le substrat, puis migre en stade de diapause vers un nouveau substrat, en partie grâce à des animaux vecteurs.

L’espèce se reproduit par auto-fécondation des hermaphrodites (XX) ou croisement facultatif avec des mâles (X0), ce qui est propice pour l’étude du rôle de la reproduction sexuée. D’autres nématodes isolés présentent des variétés étonnantes de modes de reproduction. L’équipe suit des populations de C. elegans près de Paris et y mesure le taux de substitutions nucléotidiques dans les populations clonales au cours des années.

Les organismes associés, en particulier les pathogènes naturels, sont particulièrement pertinents pour étudier l’évolution rapide des défenses immunitaires, du système sensoriel et du métabolisme. Lors de campagnes de terrain autour de Paris et à l’échelle mondiale, l’équipe a isolé des microsporidies, bactéries, champignons, oomycètes, bactéries et les premiers virus de Caenorhabditis.

La découverte du virus d’Orsay lui permet l’étude des défenses antivirales de C. elegans, en particulier du rôle physiologique des petits ARNs et de polymorphisme dans le sytème immunitaire. Ces diverses collections permettent à de nombreux laboratoires de développer leur sujet d’étude.

Variations génétiques dans des mécanismes d’hérédité non-genétique

L’équipe a découvert qu’un nombre important de souches sauvages de C. elegans montre un phénotype multigénérationnel de stérilité et a identifié un polymorphisme de séquence d’ADN qui le cause.

Comme ce phénotype de lignée germinale mortelle est souvent le signe d’un défaut de transmission héréditaire de l’extinction de gènes médiée par les petits ARNs et les modifications d’histones, l’équipe a testé la présence et la durée de la répression de l’expression génique, une fois que le trigger initial est enlevé. Certaines souches ne l’héritent pas dès la génération suivante en l’absence de l’amorce externe, tandis que celles qui le font présentent différentes durées de la transmission en nombre de générations. Ceci illustre la variation intraspécifique de la durée de l’hérédité épigénétique. Ce résultat a des implications importantes en ce qui concerne l’évolution de mécanismes d’hérédité non-génétique et offre des outils pour l’étudier.

Collection de nématodes de l’équipe
Cartographie mondiale des collections de différents laboratoires