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Collège Lionel-Groulx 101-NYA-05 Module 3

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LABORATOIRE ÉVOLUTION – PREMIÈRE PARTIE

L7. PHYLOGÉNIE GRÂCE À LA GÉNOMIQUE ET L’ANATOMIE COMPARÉE DES POISSONS

1. OBJECTIFS 1.1. Utiliser le GenBank afin de trouver des séquences génétiques et les utiliser.

1.2. Aligner des séquences génétiques et construire un arbre phylogénétique à l’aide d’un logiciel de phylogénie

moléculaire comme SeaView.

1.3. S’initier aux rudiments de l’observation systématique de l’anatomie comparée afin d’établir des rapprochements

évolutifs entre des espèces animales.

1.4. Établir un arbre phylogénétique à partir d’observations anatomiques simples.

1.5. Analyser la complémentarité de différentes sciences dans la compréhension des processus de l’évolution.

2. INTRODUCTION

LA PHYLOGÉNIE Il semble naturel pour l’humain de regrouper les êtres vivants selon leurs ressemblances. La classification hiérarchique

traditionnelle rassemble les espèces en différents sous-groupes, ou «taxons», de plus en plus vastes : genre, familles, ordres,

classes, etc [1, p. 620]. La figure 1 présente les principales Classes parmi les animaux vertébrés. La phylogénie contemporaine

propose de présenter ces classes sous forme d’un réseau de branches à partir de l’apparition de caractères communs: c’est

«l’arbre phylogénétique» ou «cladogramme». Cet arbre permet d’entrevoir les liens évolutifs entre les êtres vivants et de

prédire l’existence d’ancêtres communs. Dans ce cas-ci, l’arbre est basé sur des données d’anatomie comparée.

Chaque bifurcation (ou nœud)

correspond à l’apparition d’un

nouveau caractère. Toutes les

classes de cet arbre ont en

commun la présence d’un

crâne. C’est un «caractère

ancestral commun» [1, p. 626].

La phylogénie suggère une

nouvelle classification, les

«clades», des groupes incluant

un ancêtre et tous ses

descendants. Ici, la présence de

nageoires charnues introduit le

clade des Sarcoptérigiens,

lequel inclut les mammifères.

Ces nageoires constituent un

«caractère dérivé commun»,

une innovation exclusive aux

descendants.

Le terme «poissons osseux», un

taxon classique, devient ici

désuet puisque les Cœlacanthes

et les Dipneustes sont aussi des

«poissons osseux». On devrait

alors le remplacer par «Actinoptérigiens» (nageoires rayonnées).

Sarcoptérigiens Nageoires charnues

CLADES

TAXONS : Classes

Eutéléostéens

Actinoptérigiens Nageoires rayonnées

Figure 1. Arbre phylogénétique sommaire des vertébrés.


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Les caractères anatomiques utilisés dans la figure 1 suggèrent que les oiseaux seraient de plus proches parents des

crocodiles que ne le seraient les serpents. Pourtant, on a longtemps classé les crocodiles avec les serpents dans le groupe

des reptiles. On comprend que plus on utilisera de caractères distinctifs, provenant de disciplines différentes (anatomie,

embryologie, biologie moléculaire, etc.), plus les relations évolutives entre les espèces se raffineront. Aujourd’hui, il est

effectivement devenu possible de démontrer que le crocodile et l’oiseau partagent plus de caractères entre eux que le

serpent et le crocodile. Suivant le principe de parcimonie (l’explication la plus simple dans le respect des faits) [1, p. 628],

l’ancêtre commun du crocodile et de l’oiseau devrait donc être plus récent que l’ancêtre commun du crocodile et du serpent.

LA GÉNOMIQUE ET L’ÉVOLUTION L’évolution, thème fondamental en biologie, sous-tend à la fois l’unité et la diversité du vivant [1, p. 12]. La clé de ces deux

caractéristiques réside dans l’information génétique encodée dans l’ADN, et la biologie moléculaire apporte un éclairage

nouveau sur les liens évolutifs unissant les êtres vivants. La génomique est une discipline de la biologie moderne qui a pour

objet l’étude du génome par le séquençage complet des gènes d’un organisme [1, p. 11]. Selon la théorie de la sélection

naturelle établie par Darwin, la valeur adaptative est la différence qui fait qu’un organisme est plus enclin à survivre et se

reproduire dans un environnement qu’un autre organisme [1, p. 555]. Cette adaptation est une caractéristique

phénotypique qui est déterminée par une composante génotypique. C’est cette composante génotypique qui permet

l’hérédité des adaptations d’une génération à l’autre. De ce point de vue, il serait logique de prédire que des espèces

proches cousines partagent entre elles plus de similarités génétiques que si on faisait la même comparaison avec une

espèce plus éloignée. On parle ici d’homologies moléculaires entre espèces [1, pp. 534-535]. Ces homologies devraient être

visibles autant dans l’ADN que dans les protéines synthétisées à partir de cet ADN (exemple tableau 1). La comparaison de

génomes entiers ou de séquences d’ADN permettrait donc, comme pour la comparaison anatomique, de construire un arbre

phylogénétique démontrant l’ascendance commune entre deux espèces [1, p. 623].

Tableau 1 – Comparaison des acides aminés composant la protéine p53 chez différentes espèces.

Note : seule une fraction de la séquence d’acides aminés est montrée dans la deuxième colonne.

LA GENBANK Le premier génome à être entièrement séquencé l’a été en 1976 [2]. Il s’agit de celui du bactériophage MS2, un virus à ARN

qui s’attaque à des bactéries et dont le minuscule génome mesure 3,569 paires de bases (pb) [2]. Depuis, les progrès

technologiques en biologie moléculaire et en bio-informatique ont permis le séquençage d’un nombre grandissant de

génomes entiers. La GenBank est une initiative scientifique née en 1982 visant à rendre publiques les séquences d’ADN

séquencées dans les différents laboratoires dans le monde. Commençant avec 606 séquences d’ADN répertoriées en 1982,

le nombre de séquences accessibles en juin 2017 approchait les 700 millions [3]. Parmi toutes ces séquences rendues

publiques, il y le projet «Génome humain». Celui-ci débuta en 1989, plusieurs laboratoires du monde entier y prirent part

et les résultats furent publiés pour la première fois en 2001, 3,2 milliards pb plus tard [2]. Il y a maintenant plus de 2500

génomes humains qui ont été séquencés et publiés [4]. La technologie est à la portée de tous ceux qui ont 999$US [5]. La

GenBank constitue une mine d’or d’informations moléculaires, autant en lien avec la santé humaine qu’en termes de

matière première permettant d’analyser les liens phylogénétiques entre les espèces.


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3. PROTOCOLE PARTIE 1 – ANALYSE GÉNOMIQUE : À FAIRE À LA MAISON EN PRÉ-LAB

3.1. COMPILATION DES SÉQUENCES D’ADN DANS UN FICHIER TEXTE Cette première étape consiste à trouver la séquence d’ADN qui code pour le cytochrome b chez différentes espèces

d’animaux en fouillant dans GenBank. Le cytochrome b a été choisi comme gène car c’est un gène mitochondrial à

évolution rapide qui est présent chez une vaste variété d’espèces. Les séquences ainsi recueillies seront compilées dans

un simple fichier texte (avec l’extension .TXT). Votre professeur vous fournira un fichier .TXT dans lequel il y a déjà

plusieurs espèces, il suffira d’ajouter les séquences pour les animaux suivants (utilisez les noms latins) : la baleine à

bosse (Megaptera novaeangliae), le béluga (Delphinapterus leucas), le chat domestique (Felis catus), l’hippopotame

commun (Hippopotamus amphibius) et le maquereau espagnol (Scomber japonicus).

a) Aller chercher les séquences d’ADN sur le site GenBank en utilisant l’adresse suivante :

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/

b) Entrer le nom du gène voulu et l’espèce en noms latins (dans cet exemple, nous inscrivons le gène du cytochrome

b pour l’espèce Gallus gallus qui correspond à la poule) dans l’espace de recherche et cliquer sur « Search ».

c) Sélectionner la séquence correspondant au gène complet (le gène codant pour le cytochrome b fait environ 1140

pb, il faut donc choisir une longueur de séquence s’en approchant le plus) en appuyant sur le lien « FASTA ».

d) Sélectionner la séquence complète avec le bouton gauche de votre souris (incluant la ligne descriptive commençant

par le symbole « > ») et la copier dans le presse-papier (presser simultanément la touche « CTRL » et « C » ou

bouton de droite et « copier »).

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/


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e) Ouvrir le fichier « Phylogénie_cytb_ADN.txt » fourni par votre professeur en double cliquant sur l’icône du fichier

(le programme « Notepad » devrait s’ouvrir pour les utilisateurs de Windows). Coller la séquence qui est déjà dans

le presse-papier (presser simultanément la touche « CTRL » et « V » ou bouton de droite et « coller ») en dessous

des séquences qui sont déjà présentes en laissant une ligne blanche. Après le symbole « > » (Il est important de

garder ce premier symbole), changer l’identification de la nouvelle séquence collées pour le nom de l’animal en

français (ex : poule).

f) Ajouter les autres séquences par la suite selon les mêmes étapes en laissant toujours une ligne blanche entre

chacune.

g) Sauver le fichier de séquences (au même endroit ou ailleurs selon votre choix) en gardant le format .TXT (Attention

: il est important de le mettre à un endroit facilement récupérable). Ce fichier devrait maintenant contenir toutes

les séquences d’ADN du cytochrome b des espèces que vous avez trouvées.

3.2. INSTALLATION DU PROGRAMME SEAVIEW Le logiciel gratuit SeaView est une plateforme permettant l’alignement des séquences d’ADN et l’analyse des

homologies génétiques afin de faire de la phylogénie moléculaire [6].


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a) Aller sur le site : http://doua.prabi.fr/software/seaview et suivez les instructions pour l’installation.

b) Notes pour Windows :

Le fichier «seaview4.exe» sera automatiquement enregistré dans le dossier «Téléchargements»

Exécuter ce fichier : clic sur «exécuter» puis sur «extract»

Avec l’explorateur, Ouvrir le dossier «Téléchargements», ouvrir le dossier «SeaView» puis exécuter le

programme en cliquant sur « seaview.exe » ou la version 64-bits « seaview64bits.exe »

3.3. CONSTRUCTION D’UN ARBRE PHYLOGÉNIQUE EN UTILISANT LE PROGRAMME SEAVIEW a) Exécuter le programme « seaview.exe » ou la version 64-bits « seaview64bits.exe »

b) Ouvrir votre fichier de séquences en cliquant sur « File » puis « Open » et retracer votre fichier .txt là où vous l’avez

enregistré.

c) Procéder à l’alignement des séquences d’ADN en cliquant sur « Align » et « Align all ».

N.B. : Le programme analyse les séquences et tente de les aligner selon des blocs de nucléotides qui se ressemblent.

En effet, il pourrait y avoir des délétions ou addition de nucléotides entre les séquences ou les séquences pourraient

être incomplètes (manque le début ou la fin de la séquence). La figure 26.8 de Reece et coll. [1, p. 625] ci-dessous

donne un exemple de ce processus.

d) Une fois le processus terminé, cliquer sur « OK » situé au

coin inférieur droit.

http://doua.prabi.fr/software/seaview


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e) Construire l’arbre phylogénétique en cliquant sur « Trees » et « Distance methods ».

N.B. : D’autres méthodes comme la parcimonie peuvent être utilisées, mais la méthode par distance nous permet

d’estimer la distance génétique entre les espèces avec des longueurs de branches variables).

f) Cliquer « Go ».

g) Copier l’arbre dans le presse-papier en sélectionnant l’onglet « Edit » puis « Copy » ou utiliser la bonne vieille

méthode « Ctrl » + « C ». Coller l’arbre dans un fichier Word ou le programme de votre choix en utilisant « Ctrl » +

« V ». Vous pouvez aussi sauver en format PDF via l’onglet «File».

h) Imprimez votre arbre phylogénétique et apportez-le au laboratoire, c’est votre pré-lab.


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4. PROTOCOLE PARTIE 2 – ANATOMIE COMPARÉE DES « POISSONS » : À FAIRE AU LABO En faisant votre arbre phylogénétique basé sur des données génétiques, vous avez obtenu une hypothèse des liens

phylogénétiques liant ces différentes espèces entre-elles [1, p. 631]. Mais cette hypothèse n’est fondée que sur la seule

base des nucléotides qui diffèrent ou qui se ressemblent au niveau du gène du cytochrome b. Nous allons tester cette

hypothèse en la confrontant à un autre arbre phylogénétique, celui obtenu par des données d’anatomie comparée entre

les espèces. Nous allons cependant limiter la comparaison aux « poissons » et à la pieuvre pour des raisons logistiques.

4.1. COLLECTE DE DONNÉES D’ANATOMIE COMPARÉE a) Faire le tour des stations disposées dans la classe.

b) Notez vos observations (en mots et en schémas) par rapport aux caractéristiques présentées aux annexes 2 et 3.

c) Complétez le tableau 2 dans la section « Résultats ».

4.2. CONSTRUCTION D’UN ARBRE PHYLOGÉNÉTIQUE BASÉ SUR LES DONNÉES ANATOMIQUE Au fil de l’évolution des espèces, celles-ci développent des caractères qui les distinguent de leurs ancêtres tout en

maintenant d’autres caractères communs avec leurs ancêtres. Lorsqu’un caractère provient d’un ancêtre, on appelle

celui-ci caractère ancestral commun. Lorsqu’un caractère est propre à un groupe d’espèce et que celui-ci n’était pas

présent chez leurs ancêtres, on parle plutôt de caractère dérivé commun. Par exemple, chez les mammifères, le fait

d’avoir quatre pattes est un caractère ancestral commun (tous les mammifères ont quatre pattes, mais ce ne sont pas

que les mammifères qui ont quatre pattes). La capacité d’allaiter les petits est aussi présent chez tous les mammifères,

mais ce caractère les distinguent du reste des animaux, il s’agit donc d’un caractère dérivé commun. Lors de la

construction d’un arbre phylogénétique basé sur l’anatomie, les caractères dérivés communs sont très utiles. C’est sur

cette base que nous allons explorer les liens phylogénétiques des « poissons ». Dans l’analyse, un groupe de référence

(ou groupe extérieur) est nécessaire. Ce rôle sera joué par la pieuvre. La figure 26.11 de Reece et coll. [1, p. 627] montre

comment construire un arbre phylogénétique à partir de données anatomiques.

a) Utilisez le tableau 2 comme tableau des caractères, en sachant que la pieuvre constitue le groupe externe.

b) En comparant les membres du groupe à l’étude (les « poissons ») avec le groupe externe, déterminez quels sont

les caractères dérivés communs permettant d’établir des points de bifurcation (fig. 26.11b ci-haut).

c) Dessinez votre arbre phylogénétique dans la section « Résultats » (figure 2) et indiquez, par des chiffres de 1 à 10,

l’émergence des caractères dérivés permettant de distinguer des bifurcations dans votre arbre phylogénétique. Il

est possible qu’on ne puisse pas distinguer certains groupes de « poissons » par des caractères dérivés communs.


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5. REFERENCES

[1] J. Reece, L. Urry, M. Cain, S. Wasserman, P. Minorsky et R. Jackson, Campbell Biologie, Saint-Laurent: Éditions du

Renouveau Pédagogique, 2012.

[2] Yourgenome, «Timeline: Organisms that have had their genomes sequenced,» 19 janvier 2015. [En ligne]. Disponible:

https://www.yourgenome.org/facts/timeline-organisms-that-have-had-their-genomes-sequenced. [Accès le 31

octobre 2017].

[3] National Center for Biotechnology Information, «GenBank and WGS statistics,» U.S. National Library of Medicine, [En

ligne]. Disponible: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/statistics/. [Accès le 31 octobre 2017].

[4] The 1000 Genomes Project Consortium, «A global reference for human genetic variation,» Nature, vol. 526, n°7571,

pp. 68-74, 2015.

[5] Veritas Genetics, «myGenome,» [En ligne]. Disponible: https://www.veritasgenetics.com/mygenome. [Accès le 5

novembre 2017].

[6] M. Gouy, S. Guindon et O. Gascuel, «SeaView version 4 : a multiplatform graphical user interface for sequence

alignment and phylogenetic tree building,» Molecular Biology and Evolution, vol. 27, n°2, pp. 221-224, 2010.

[7] G. Lecointre, «Les phylogénies moléculaires,» Centre national de la recherche scientifique, [En ligne]. Disponible:

http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosevol/decouv/articles/chap7/lecointre1.html. [Accès le 31 octobre 2017].

[8] G. Lecointre (sous la direction de), Comprendre et enseigner la classification du vivant, Paris: Belin, 2004, pp. 16-25, 37,

181, 183.


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6. ANNEXE 1 – NOS ORGANISMES

7. ANNEXE 2 - MORPHOLOGIE INTERNE ET EXTERNE D’UN « POISSON »

1

5

6 4

3 2

1

(1) impaire (2) paires


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8. ANNEXE 3 – PRÉCISIONS SUR CERTAINES CARACTÉRISTIQUES PHYSIQUES À OBSERVER POUR

EFFECTUER L’ANATOMIE COMPARÉE DES « POISSONS »

2- Nageoire caudale

Est-elle hétérocerque (asymétrique)

ou homocerque (symétrique) ?

3- Nageoire adipeuse (charnue)

Présente ou absente ?

4- Épines sur les nageoires

Présentes ou absentes ?

5- Position de la nageoire pelvienne

Abdominale ou thoracique ?

8- Vessie natatoire

Présente ou absente ?

10- Morphologie des écailles

Placoïde ou Élasmoïde ?

Thorax Abdomen

Placoïde

Élasmoïde

Les rayons se prolongent en épines piquantes

Rapport Noms : ____________________________________________________________________________________________________ Groupe : ____

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9. RÉSULTATS

9.1. TABLEAU 2 – TABLEAU DES CARACTÈRES OBSERVÉS CHEZ 5 ESPÈCES DE « POISSONS » ET LA PIEUVRE.

Note : la présence et notée par un « 1 » et l’absence par un « 0 ».

Espèce A

Nom:

Espèce B

Nom:

Espèce C

Nom:

Espèce D

Nom:

Espèce E

Nom:

Espèce F

Nom:

1Présence de

nageoires

2La nageoire caudale

est homocerque

3

Présence d'une

nageoire dorsale

adipeuse

4

Les nageoires

dorsales sont

épineuses

5

Les nageoires

pelviennes sont

thoraciques

6Présence d'une

colonne vertébrale

7Présence d'un

système nerveux

8Présence d'une

vessie natatoire

9Présence d'écailles

recouvrant la peau

10Les écailles sont

élasmoïdes

Caractères anatomiques

Nag

eoir

esO

rgan

es in

tern

esP

eau


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9.2. ARBRE PHYLOGÉNÉTIQUE

Figure 2- Hypothèse de phylogénie de 5 espèces de « poissons » basée sur l’étude de leur anatomie.

Note : La pieuvre (incluse dans l’arbre) constitue le groupe externe.

10. DISCUSSION Répondez aux questions suivantes en guise de discussion.

10.1. Au premier coup d’œil (sans se baser sur des caractères précis), lequel des « poissons » observés ressemble

physiquement le plus au maquereau? Expliquez votre réponse.


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10.2. En se fiant à l’analyse des homologies génétiques (pré-lab), lequel des « poissons » est le plus proche cousin du

maquereau? Expliquez brièvement votre réponse.

10.3. En se fiant à l’analyse des caractères dérivés communs et caractères ancestraux communs (tableau 2 et figure 2),

lequel des « poissons » est le plus proche parent du maquereau? Expliquez brièvement votre réponse.

10.4. Comparez les deux arbres phylogénétiques expérimentaux entre eux. Est-ce que les deux hypothèses de liens

phylogénétiques entre les différents « poissons » convergent (vont dans le même sens) ou divergent (arrivent à

des résultats différents)? Discutez brièvement.

10.5. L’utilisation d’un autre gène comme élément de comparaison (ex: le gène codant pour les histones) aurait-il donné

le même arbre phylogénique? Se pourrait-il que certains gènes évoluent plus rapidement que d’autres? Justifiez

votre réponse en vous aidant de la référence «Les phylogénies moléculaires» [7], (accessible sur le web).

10.6. En anatomie comparée, des critères de comparaison basés ici sur l’anatomie des « poissons » ont été utilisés.

Étaient-ils aussi pertinents pour distinguer les caractères partagés par la pieuvre? En vous référant au document

«Les phylogénies moléculaires» [7], indiquez deux (2) caractéristiques qui devraient guider le choix d’un caractère

à utiliser dans le but de construire un arbre phylogénétique.


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10.7. Vous avez construit un arbre phylogénétique pour les « poissons » à l’aide du gène du cytochrome b qui est une

protéine mitochondriale. Les bactéries, des procaryotes, ne possèdent pas de mitochondries. Mais se pourrait-il

qu’elles possèdent tout de même le gène du cytochrome b? Répondez par une déduction logique basée sur le

paragraphe «Les origines évolutionnaires des mitochondries» [1, p. 119 et fig. 6.16].

10.8. Les oiseaux et les mammifères sont endothermes, c’est-à-dire à « sang chaud ». Est-ce que cette caractéristique

découle d’une homologie ou d’une analogie? Expliquez en incluant le plus proche cousin des oiseaux de votre

arbre phylogénétique dans votre explication [1, pp. 534-537].

10.9. En regardant de plus près votre arbre phylogénétique basé sur les homologies génétiques, diriez-vous que le

groupe des mammifères est monophylétique, paraphylétique ou polyphylétique [1, p. 626]? Expliquez brièvement

votre réponse.

10.10. En analysant votre arbre phylogénétique basé sur les homologies génétiques et en utilisant les termes

« évolution convergente », « caractéristiques analogues » et « groupe polyphylétique » [1, pp. 536-537, p. 626],

discutez du cas du groupe des mammifères marins.

10.11. En vous référant au document complémentaire « Comprendre la classification du vivant » [8, p. 10], dites

pourquoi le groupe des « poissons » est impossible à classifier au point de vue phylogénique (c’est pour ça que le

mot « poisson » est entre guillemets dans tout le document!).

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