Humans in an adaptive world : genetic and epigenetic responses to environmental challenges

Abstract

Les populations humaines ont été confrontées à de nombreux changements environnementaux au cours de leur histoire et présentent aujourd’hui une grande diversité d’habitats et de modes de subsistance. Cependant, l’ampleur de l’adaptation génétique et des réponses épigénétiques à ces changements est débattue. Nous avons d’abord étudié la puissance de diverses statistiques pour détecter les balayages sélectifs dans le contexte des données de séquençage à haut débit, et évalué leur robustesse à différents facteurs confondants. En utilisant des jeux de données de séquençage, nous montrons que les balayages sélectifs ont eu un impact modéré mais non négligeable dans l’évolution récente du génome humain. Les régions sous sélection sont enrichies en mutations associées à des variations phénotypiques. Nous avons ensuite évalué l’impact respectif des facteurs génétiques et environnementaux sur la diversité épigénétique humaine. Pour cela, nous avons obtenu les génotypes et les profiles de méthylation de l’ADN de populations d’Afrique Centrale présentant des différences récentes d’habitat ou historiques de modes de vie et de profil génétique. Nous montrons que les deux facteurs ont un effet similaire sur le méthylome mais diffèrent par les fonctions biologiques affectées et les mécanismes expliquant les variations observées. Plus généralement, les variations de méthylation sont fortement associées à des mutations génétiques qui sont enrichies en signaux de sélection positive. En conclusion, ce travail apporte un aperçu de la contribution des mutations génétiques et des réponses épigénétiques à l’adaptation humaine aux changements environnementaux sur plusieurs échelles de temps.Human populations have faced a large number of environmental challenges during their evolutionary history and present today a wide range of habitats and mode of subsistence. However, the extent of genetic adaptation and epigenetic responses to such environmental variation remains controversial. We first explored the power of several statistics to detect hard selective sweeps in the context of whole-genome sequencing data, and evaluated their robustness to demography and other selection modes. Using data from the 1,000 Genomes Project and Complete Genomics, we showed that hard sweeps targeting low-frequency standing variation have played a moderate, albeit significant, role in recent human evolution. The signals of selection detected were moreover enriched in functional variants detected by genome-wide association studies. We then evaluated the relative impacts of genetic and environmental factors on human epigenomic diversity. To do so, we generated genome-wide genetic and DNA methylation profiles for Central African populations differing in their current habitat or in their historical lifestyle and genetic background. We found that both factors have similar critical impacts on the shaping of the global methylome, but the biological functions affected and the mechanisms underlying DNA methylation variation strongly differ. More generally, methylation variation shows strong associations with nearby genetic variants that, moreover, are enriched in signals of natural selection. Together, this work provides new insight into the contribution of genetic adaptation and epigenetic responses to the adaptation of humans to environmental changes over different time scales