# Arbres phylogénétiques et modèles d'évolution moléculaire Sciences biomédicales · Bachelor 3 > Construire et lire un arbre: distances, maximum de vraisemblance, bootstrap et enracinement. ## Introduction Un arbre phylogénétique représente des hypothèses sur l'histoire évolutive de séquences: gènes, protéines ou génomes entiers. En biomédecine, ces arbres servent à retracer l'origine d'un virus pendant une épidémie, à suivre l'évolution d'un cancer ou à distinguer orthologues et paralogues avant de choisir un modèle animal. Construire un arbre commence par un alignement multiple de bonne qualité. Les méthodes de distance, comme UPGMA et Neighbor-Joining, transforment l'alignement en distances par paires puis regroupent les séquences. Les méthodes de caractères, parcimonie et maximum de vraisemblance, évaluent directement les positions de l'alignement; la dernière repose sur un modèle explicite de substitution. L'arbre obtenu est une estimation: sa fiabilité se mesure par le bootstrap ou des probabilités a posteriori, et sa lecture exige de savoir où se trouve la racine. Le choix du modèle et la lecture des supports sont des points d'examen classiques. ## Objectifs d'apprentissage - Lire un arbre: nœuds, branches, clades, groupes frères et enracinement - Comparer méthodes de distance, parcimonie et maximum de vraisemblance - Expliquer le rôle d'un modèle de substitution et de la correction des substitutions multiples - Interpréter un support de bootstrap - Appliquer la phylogénie à un exemple biomédical comme le suivi d'un virus ## Concepts clés - **Anatomie d'un arbre** : Les feuilles sont les séquences étudiées, les nœuds internes des ancêtres hypothétiques. Un clade regroupe un ancêtre et tous ses descendants. Seule la topologie des branchements informe sur les parentés, pas l'ordre des feuilles à l'écran. - **Méthodes de distance** : UPGMA suppose une horloge moléculaire stricte et peut donner de mauvais arbres si les vitesses diffèrent. Neighbor-Joining ne l'exige pas et fournit rapidement un arbre non enraciné. - **Parcimonie et vraisemblance** : La parcimonie cherche l'arbre exigeant le moins de changements. Le maximum de vraisemblance cherche l'arbre et les longueurs de branches qui maximisent la probabilité des données sous un modèle de substitution; il est moins sensible à l'attraction des longues branches. - **Modèles de substitution** : Jukes-Cantor suppose des taux égaux pour tous les changements; Kimura distingue transitions et transversions; GTR est le modèle général réversible. Un critère comme AIC ou BIC aide à choisir. - **Bootstrap et enracinement** : Le bootstrap rééchantillonne les colonnes de l'alignement et compte la fréquence d'apparition d'un clade; les valeurs élevées indiquent un soutien robuste. L'enracinement se fait par un groupe externe ou par le point médian. ## Conclusion Un arbre phylogénétique est une hypothèse chiffrée sur l'histoire de séquences. Sa qualité dépend de l'alignement, du modèle de substitution, de la méthode de reconstruction et de la lecture des supports. En biomédecine, il éclaire la surveillance des pathogènes, l'identification d'orthologues pour les modèles animaux et l'évolution tumorale, à condition d'en connaître les artefacts. ## Cartes ### Qu'est-ce qu'un clade ? Un groupe monophylétique: un ancêtre et tous ses descendants. ### Que représentent les nœuds internes d'un arbre ? Des ancêtres communs hypothétiques inférés, non observés. ### Pourquoi corriger les distances observées ? Plusieurs substitutions peuvent survenir au même site, ce qui sous-estime la distance réelle si l'on compte seulement les différences. ### Quelle hypothèse limite UPGMA ? Une horloge moléculaire stricte: la même vitesse d'évolution dans toutes les lignées. ### Quel avantage a Neighbor-Joining ? Il est rapide et ne suppose pas d'horloge stricte; il produit un arbre non enraciné. ### Quel principe guide la parcimonie ? Préférer l'arbre qui explique l'alignement par le plus petit nombre de changements évolutifs. ### Qu'optimise le maximum de vraisemblance ? La probabilité des données d'alignement étant donné un arbre, des longueurs de branches et un modèle de substitution. ### Quelle différence entre transition et transversion ? Une transition échange deux purines ou deux pyrimidines (A-G, C-T); une transversion échange une purine et une pyrimidine; les transitions sont généralement plus fréquentes. ### Que signifie un bootstrap de 95% pour un nœud ? Le clade apparaît dans 95% des arbres reconstruits sur des alignements rééchantillonnés: soutien fort, mais pas une probabilité de vérité. ### Pourquoi ajouter un groupe externe ? Pour enraciner l'arbre et orienter le temps, car un groupe externe diverge avant les séquences étudiées. ### Qu'est-ce que l'attraction des longues branches ? Un artefact où deux lignées à évolution rapide se regroupent à tort, fréquent en parcimonie. ### Comment la phylogénie sert-elle en épidémiologie virale ? En reliant les génomes de patients, elle détecte des chaînes de transmission et date l'émergence d'un variant à l'aide d'une horloge moléculaire. ## Glossaire - **Clade** : Groupe formé d'un ancêtre et de l'ensemble de ses descendants. - **Groupe frère** : Deux lignées qui partagent un ancêtre commun exclusif. - **Horloge moléculaire** : Hypothèse d'une vitesse de substitution à peu près constante dans le temps. - **Neighbor-Joining** : Méthode de distance qui regroupe de proche en proche les paires minimisant la longueur totale de l'arbre. - **Maximum de vraisemblance** : Méthode cherchant l'arbre le plus probable sachant l'alignement et un modèle de substitution. - **Bootstrap** : Procédure de rééchantillonnage des sites d'un alignement qui mesure la robustesse d'un clade. - **Groupe externe** : Séquence plus éloignée que toutes les autres, utilisée pour enraciner. - **Paralogue** : Gène issu d'une duplication au sein d'un génome. https://ruvy.ch/decks/-P5Ca0t4DpXUwracUnmz