Pan-génome : Définition, Méthodes de Séquençage et Applications

Introduction au Pan Génome

Un pan-génome (pangenome ou supragénome) est l'ensemble complet des gènes de toutes les souches au sein d'un clade en biologie moléculaire et en génétique. C'est la somme des génomes d'un clade dans une perspective plus large. Le pan-génome est divisé en trois sections : un "pan-génome central" qui contient des gènes présents chez tous les individus, un "pan-génome de coquille" qui contient des gènes présents dans deux souches ou plus, et un "pan-génome nuage" qui ne contient que des gènes observés dans une seule souche. Certains auteurs se réfèrent au génome nuage comme un "génome accessoire", qui contient des gènes "dispensables" trouvés uniquement dans un sous-ensemble de souches et des gènes spécifiques à une souche. Du moins dans les génomes de plantes, le terme "dispensable" a été remis en question, car les gènes accessoires "jouent un rôle important dans l'évolution du génome et l'interaction complexe entre le génome et l'environnement."

L'avènement du séquençage de nouvelle génération a permis un examen plus approfondi de la diversité de plusieurs souches bactériennes, élargissant ainsi notre compréhension du concept d'espèce. Par la suite, les études comparatives entre membres de la même espèce ou du même genre sont devenues la méthode la plus courante pour identifier des gènes uniques et des gènes partagés entre deux espèces ou plus, ainsi que pour caractériser tous les gènes partagés parmi tous les individus (gènes homologues) évalués. Cette méthode est connue sous le nom de pan-génome, et elle utilise actuellement une variété d'outils bioinformatiques ainsi qu'une variété d'approches computationnelles pour identifier les données génomiques et l'ensemble des gènes qui représentent un taxon donné. Les études de pan-génome et leurs diverses techniques ont même été utilisées chez les eucaryotes, en particulier chez les humains, afin de mieux comprendre la variabilité génétique qui existe entre les individus.

Méthodes de séquençage utilisées dans les études pangénomiques

Séquençage en temps réel à molécule unique (SMRT) et Séquençage par nanopore commercialisent actuellement des technologies de séquençage à lecture longue à molécule unique. Le séquençage SMRT permet (1) la culture de pan-génomes pour classifier la diversité génétique complète au sein d'une espèce, (2) l'innovation de génomes de référence spécifiques à des populations pour propulser la médecine de précision et (3) la configuration de génomes microbiens presque complets et de leurs plasmides en une seule expérience en utilisant le séquençage du génome entier pour un assemblage de novo. Bien que des méthodologies basées sur des approches de séquençage à lecture courte soient également en cours d'établissement pour offrir des informations à long terme au niveau de la molécule unique—par exemple, la méthodologie de lecture liée de 10x Genomics.

Figure 1. Une approche de pan-génome de référence pour la génomique bactérienne comparative. (Méric, 2014)

Applications du Pangenome

Pour l'analyse pan-génomique, une variété d'outils bioinformatiques ont été utilisés, ce qui pourrait aider à définir les espèces. Il pourrait être possible de redéfinir les espèces et de les classer en fonction de leur contenu génomique en analysant toutes les données génomiques. Depuis la dernière décennie, les analyses pan-génomiques ont ouvert la voie aux chercheurs pour créer des vaccins universels qui pourraient protéger contre toutes les souches d'une espèce ou même contre plusieurs espèces apparentées.

Le domaine de la pan-génomique pathogène a été révolutionné par les récentes avancées dans la technologie de séquençage génomique, qui a également influencé la gestion des maladies dans les fermes aquacoles. La diversité phylogénomique et les tendances évolutives possibles des souches de pathogènes bactériens aquatiques seront déduites par une analyse routinière du pan-génome des pathogènes aquatiques dérivés du génome, ainsi que les mécanismes de pathogénie, y compris les schémas estimés de transmission des pathogènes à travers les échelles épidémiologiques.

Références :

1. Sherman RM, Salzberg SL. La pan-génomique à l'ère du génome humain. Nature Reviews Genetics. Avril 2020 ; 21(4).
2. Tiwary BK. Pan-génomique évolutive et applications. Dans Pan-génomique : Applications, Défis et Perspectives Futures 1er janvier 2020. Academic Press.
3. Méric G, Yahara K, Mageiros L, et al.Une approche de pan-génome de référence pour la génomique bactérienne comparative : identification de nouveaux marqueurs épidémiologiques dans les Campylobacter pathogènes. PloS un2014 Mar 27;9(3).