La génétique des populations est la branche de la génétique qui étudie la répartition de la variation génétique au sein et entre les populations et les forces qui modifient les fréquences alléliques au fil du temps. Ce domaine fournit les bases mathématiques pour comprendre l’évolution, la biologie de la conservation et les bases génétiques des maladies humaines.
Fréquences alléliques et génotypes
Les quantités fondamentales en génétique des populations sont les fréquences alléliques (la proportion de chaque allèle à un locus dans une population) et les fréquences des génotypes (la proportion de chaque génotype). Pour un locus diploïde avec deux allèles A et a, si p représente la fréquence de A et q représente la fréquence de a, alors p + q = 1 lorsqu’il n’existe que deux allèles. Les fréquences des génotypes correspondent aux proportions d’individus AA, Aa et aa dans la population. Ces fréquences sont liées mais pas identiques : les fréquences des génotypes ne peuvent être dérivées des fréquences des allèles que sous des hypothèses spécifiques, et l’un des objectifs centraux de la génétique des populations est de comprendre quand et pourquoi les fréquences des génotypes observées s’écartent des attentes.
Le principe de Hardy-Weinberg
Le principe de Hardy-Weinberg stipule que les fréquences des allèles et des génotypes dans une population restent constantes de génération en génération en l’absence de forces évolutives. Pour un locus avec deux allèles, les fréquences génotypiques attendues sous l’équilibre de Hardy-Weinberg sont p² pour AA, 2pq pour Aa et q² pour aa. Cet équilibre est atteint après une génération d’accouplements aléatoires, quelles que soient les fréquences des génotypes de départ. Le principe sert de modèle nul pour la génétique des populations : lorsque les fréquences des génotypes observées diffèrent significativement des attentes de Hardy-Weinberg, cela indique qu’une ou plusieurs forces évolutives sont à l’œuvre. Le principe de Hardy-Weinberg s’applique sous cinq hypothèses : une population infiniment grande, un accouplement aléatoire, pas de mutation, pas de flux génétique (migration) et pas de sélection naturelle. Les populations réelles ne répondent jamais à toutes les hypothèses, ce qui fait de ce principe une référence par rapport à laquelle le changement évolutif est mesuré.
Sélection Naturelle
La sélection naturelle modifie les fréquences alléliques lorsque les génotypes diffèrent en termes de fitness, c’est-à-dire la capacité de survivre et de se reproduire. L’aptitude d’un génotype est exprimée par rapport au génotype le plus apte, avec des coefficients de sélection mesurant la réduction de l’aptitude. La sélection directionnelle favorise un allèle par rapport à un autre, entraînant une augmentation de sa fréquence avec le temps. Pour un allèle dominant avantageux, la sélection agit efficacement car l’allèle est exprimé à la fois chez les homozygotes et les hétérozygotes. Pour un allèle récessif avantageux, la sélection se déroule plus lentement car l’allèle est caché à la sélection chez les hétérozygotes. La sélection équilibrée maintient plusieurs allèles dans la population grâce à des mécanismes tels que l’avantage des hétérozygotes (surdominance), où les hétérozygotes ont une meilleure forme physique que les deux homozygotes, comme le montre le trait drépanocytaire conférant une résistance au paludisme. La sélection dépendante de la fréquence se produit lorsque la valeur adaptative d’un génotype dépend de sa fréquence dans la population, les génotypes rares ayant parfois un avantage.
Dérive génétique
La dérive génétique est la fluctuation aléatoire des fréquences alléliques due à la taille finie d’une population. Dans les petites populations, les fréquences alléliques peuvent changer considérablement par le seul hasard, même en l’absence de sélection. L’ampleur de la dérive est inversement liée à la taille de la population : dans une population de taille N, la variance du changement de fréquence allélique par génération est de pq/2N pour un locus diploïde, ce qui signifie que des populations plus petites subissent des fluctuations aléatoires plus importantes. La dérive entraîne une perte de diversité génétique au fil du temps, un allèle finissant par se fixer (fréquence = 1) et d’autres perdus (fréquence = 0). La probabilité qu’une nouvelle mutation neutre soit fixée par la seule dérive est égale à sa fréquence initiale, 1/2N. La taille effective de la population (Ne) est la taille d’une population idéale qui connaît le même taux de dérive que la population réelle, ce qui tient compte de facteurs tels que des sex-ratios inégaux, la variance du succès reproducteur et les goulots d’étranglement de la population.
Flux génétique et migration
Le flux génétique, également appelé migration, est le mouvement des allèles entre les populations. La migration introduit de nouveaux allèles dans une population et réduit la différenciation génétique entre les populations. L’étendue du flux génétique est mesurée par FST, une statistique qui quantifie la proportion de variation génétique attribuable aux différences entre les populations, allant de 0 (pas de différenciation) à 1 (différenciation complète). De faibles valeurs de FST indiquent un flux génétique élevé, tandis que des valeurs élevées indiquent un flux génétique restreint et une plus grande structure de population. Les modèles insulaires et les modèles tremplins décrivent les schémas de migration entre les populations et prédisent comment la variation génétique est répartie dans l’espace géographique.
###Mutations
La mutation introduit de nouvelles variations génétiques dans les populations à de faibles taux, généralement de 10⁻⁸ à 10⁻⁹ par paire de bases et par génération pour les mutations ponctuelles. Malgré leur rareté, les mutations sont la source ultime de toute variation génétique et sont essentielles à l’évolution à long terme. La balance mutation-sélection décrit la fréquence d’équilibre d’un allèle délétère déterminée par les forces opposées de mutation créant de nouvelles copies et de sélection les supprimant. Pour un allèle délétère récessif, la fréquence d’équilibre est approximativement égale à la racine carrée du taux de mutation divisée par le coefficient de sélection, tandis que pour un allèle délétère dominant, elle est approximativement égale à deux fois le taux de mutation divisé par le coefficient de sélection.
Accouplement non aléatoire
Les modèles d’accouplement non aléatoires affectent les fréquences des génotypes sans modifier directement les fréquences des allèles. L’accouplement assorti positif, où les individus présentant des phénotypes similaires s’accouplent préférentiellement, augmente l’homozygotie. L’accouplement assorti négatif (accouplement désassortif) augmente l’hétérozygotie. La consanguinité, l’accouplement entre parents, augmente la proportion d’homozygotes à l’échelle du génome et est quantifiée par le coefficient de consanguinité F, qui mesure la probabilité que deux allèles d’un locus soient identiques par descendance. La consanguinité expose des allèles délétères récessifs chez les homozygotes, conduisant à une dépression de consanguinité, la condition physique réduite observée chez la progéniture d’individus apparentés.
Applications en génétique humaine
Les principes de la génétique des populations sont largement appliqués en génétique humaine. Les études d’association pangénomiques (GWAS) utilisent des échantillons basés sur la population pour identifier les variantes génétiques associées à la maladie, mais la stratification de la population (différences de fréquence des allèles entre les groupes ancestraux) peut produire de fausses associations si elle n’est pas correctement contrôlée. La cartographie des mélanges exploite l’ascendance mixte de populations telles que les Afro-Américains pour identifier les variantes de risque de maladie. La génétique médico-légale utilise les hypothèses de Hardy-Weinberg pour calculer la probabilité de correspondances aléatoires dans le profilage ADN. La génétique de conservation applique ces principes pour gérer la diversité génétique des espèces menacées, en utilisant des estimations efficaces de la taille de la population et des mesures de différenciation génétique pour guider les programmes de sélection et la gestion de l’habitat.
