Evolution du déterminisme sexuel et compensation du dosage des gènes

La détermination du sexe dans le monde animal est très éclectique et emprunte différentes voies dépendantes de la constitution des chromosomes et des facteurs environnementaux. Chez les poissons et les reptiles, le sexe est déterminé par la température d’incubation de l’œuf après fertilisation (pour revue, Crews et al., 2003). Les futurs individus sexuellement différents sont chromosomiquement identiques et cette forme de détermination n’a besoin d’aucun système de compensation du dosage des gènes. Cette détermination environnementale permet d’adapter au mieux la capacité reproductive d’une population. En contrepartie, celle-ci est particulièrement sensible aux changements environnementaux, tels qu’un réchauffement global. En accord avec cette théorie, les changements de climat auraient provoqué l’extinction des dinosaures, car ce système de détermination sexuelle aurait orienté

le typage sexuel vers une seule catégorie provoquant à terme l’incapacité de la population à se reproduire (pour revue, Miller et al., 2004). En opposition avec cette détermination environnementale, il existe la détermination génétique ou chromosomique grâce à laquelle le caractère sexuel de l’individu adulte est prédéterminé lors de la fertilisation.

D’un point de vue évolutif, il a été proposé que les ancêtres des reptiles, des oiseaux et des mammifères utilisaient une détermination sexuelle basée sur les facteurs environnementaux comme énoncée précédemment (pour revue, Crews, 2003). Les chromosomes sexuels se seraient alors développés à partir des autosomes par acquisition de gènes déterminant le caractère sexuel ou par la mutation d’un des deux autosomes (Ohno, 1967, pour revue, Charlesworth, 1996 ; pour revue, Graves, 2006). Selon ce principe, deux systèmes de passage à un organisme hétérogamétique peuvent être recensés : le premier, adopté par les oiseaux et quelques reptiles comme les serpents, chez lesquels les femelles sont hétérogamétiques (ZW) alors que les mâles sont homogamétiques et ont 2 chromosomes Z (ZZ) ; le second, est basé sur les paires de chromosomes XY, système utilisé par les mammifères chez lesquels le mâle est hétérogamétique (XY) et la femelle homogamétique (XX). Au cours de l’évolution, un des deux chromosomes Z ou X a perdu un certain nombre de gènes. Ces chromosomes sont alors devenus respectivement, les chromosomes W et Y.

Cette perte a eu pour conséquence l’apparition subite d’un problème de dosage de l’expression des gènes étant donné que leurs équivalents sont restés sur les chromosomes Z et X (Fig. 9). En effet, ces gènes sont présents seulement en une seule copie dans les organismes hétérogamétiques (ZW et XY). Leurs niveaux d’expression sont donc la moitié de ce qu’ils étaient avant la perte génique. Cela perturbe l’équilibre entre expression des gènes des chromosomes sexuels et expression des gènes autosomaux, qui sont chacun présents en deux copies. De plus, les gènes des chromosomes sexuels sont présents en double chez les organismes homogamétiques (XX ou ZZ), ce qui provoque également un dosage déséquilibré de leur expression chez les deux sexes. Une des conséquences de l’évolution de la détermination sexuelle a été l’acquisition de mécanismes de compensation de dosage des gènes qui permettent de pallier le problème lié à la création des chromosomes sexuels hétéromorhiques (pour revue, Payer et Lee, 2008).

Généralement, la perte de fonction de certains gènes a été causée par la restriction du chromosome qui les contient à un seul sexe (souvent en raison de l'émergence d'un gène impliqué dans la détermination du sexe de façon dominante) et donc à l’impossibilité de recombinaison avec son homologue. Les mutations ne pouvant être éliminées par recombinaison, elles s’accumulent et conduisent à une perte progressive de la fonction génique. Ce processus est appelé dégénérescence chromosomique (pour revue, Charlesworth et al., 2005 ; pour revue, Marin, 2008). Il conduit à une divergence rapide des chromosomes sexuels par rapport aux autres chromosomes. La part restant commune aux deux sexes est

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appelée la région pseudoautosomale ou PAR. Elle peut donner lieu à des recombinaisons entre les différents chromosomes sexuels lors de la méiose. Par contre, les « crossing-over » entre les allèles sexe-spécifiques hors de la PAR n’étant pas possibles, les chromosomes W et Y ont accumulé des mutations et des délétions non réparables. Cela a conduit à une réduction de la taille de ces chromosomes (Fig. 9) (Graves, 2006 ; Ohno, 1967).

Figure 9 : Schéma simplifié des relations entre évolution du déterminisme sexuel et compensation du dosage des gènes

(a). Mâles et femelles ont deux chromosomes sexuels identiques et le sexe est déterminé par les conditions environnementales comme la température. Une paire d’autosomes est la forme ancestrale des futurs chromosomes sexuels (PXY ou Proto-XY).

(b). Acquisition d’un gène déterminant le sexe (SRY) en une seule copie sur la paire de proto-XY permettant de distinguer les deux chromosomes sexuels (PX ou Proto-X, PY ou Proto-Y).

Cette acquisition conduit à un système de détermination chromosomique du sexe. Comme PX

et PY partagent toujours la plupart des gènes l'un avec l'autre, aucun déséquilibre de dosage de gène n'existe encore.

(c). L’accumulation de gènes spécifiques aux mâles sur PY conduisant à une suppression de toutes recombinaisons méiotiques avec PX et à une dégénérescence du chromosome Y vers sa forme actuelle. Beaucoup de gènes liés au chromosome X sont présents en une seule copie chez les mâles, alors qu’ils étaient présents en deux copies sur les autosomes. (A). Induction d’un déséquilibre de dosage des gènes entre le chromosome X et les autosomes. Un autre déséquilibre émerge entre les gènes liés au chromosome X chez les cellules mâles et femelles étant donné qu’elles comptent deux copies des gènes de l’X.

(d.) Pour contrecarrer ce déséquilibre, les mammifères ont développé 2 mécanismes distincts de compensation. Les gènes du Xa (X actif) sont surexprimés d’un facteur 2 par un système inconnu permettant de rétablir la balance entre le chromosome X et les autosomes chez les mâles. La surexpression des gènes du Xa chez les femelles est équilibrée par l’inactivation d’un des 2 chromosomes X (Xi)

D’après la revue Payer et Lee, 2008

4. Compensation du dosage des gènes chez Drosophila melanogaster et Caenorhabditis