Chez l’homme, 15 % des gènes sont présents en deux exemplaires au moins. Chez la levure, 26 %. Autant de copies qui peuvent jouer un rôle essentiel dans l’adap- tation des organismes.

(1)

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biologie

L

e dernier ancêtre commun de tous les organismes actuels remonte à plus de 3 milliards d’années. Nous sommes donc bien loin de connaître son génome ! Toutefois, il n’y a guère de doute qu’il comportait bien moins de gènes que, par exemple, celui des vertébrés (environ 20 000 pour l’homme).

Dès lors, à la question « comment évoluent les géno- mes ? » nous pouvons répondre : par l’acquisition de nouveaux gènes. Une acquisition qui s’effectue en grande partie par la duplication de gènes ou de grou- pes de gènes préexistants [fig. 1].

Joseph Schacherer

^est

maître de conférences à l’université de Strasbourg dans l’UMR CNRS 7156 « génétique moléculaire, génomique et microbiologie ».

joseph.schacherer

@gem.u-strasbg.fr

W

en deux mots

^W Comment évoluent les génomes ? En multipliant les copies de gènes. En 1970, le généticien Susumu Ohno proposait que

ces copies apparues au cours de l’évolution per- mettaient aux organismes d’acquérir de nouvelles fonctions, l’une des copies conservant la fonc-

tion du gène initial, l’autre étant libre d’évoluer.

Prédictions validées aujourd’hui grâce aux don- nées fournies par le séquençage des génomes.

Chez l’homme, 15 % des gènes sont présents en deux exemplaires au moins. Chez la levure, 26 %. Autant de copies qui peuvent jouer un rôle essentiel dans l’adap- tation des organismes.

La duplication

des gènes,

moteur de l’évolution

Pour les scientifiques, ce phénomène de duplication est particulièrement intéressant en ce sens qu’il permet sou- vent à un organisme d’acquérir de nouvelles fonctions.

Sur le plan théorique, cette idée a été développée dès les années 1970 par le généticien et spécialiste de l’évolution Susumu Ohno, de Duarte, en Californie [1]. En résumé Ohno proposait que l’une des copies conserve la fonction qui était celle du gène initial, tandis que l’autre copie devient libre d’accumuler des mutations. Dans certains cas, cela conduit cette copie à coder une protéine dif- férente de celle codée par le gène initial. De fait, cette

« copie » est donc devenue un « nouveau gène ».

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Plusieurs types de duplication

Fig.1

La dUpLiCatioN de gèNeS (carrés colorés) portés par des chromo- somes (traits jaunes) peut se produire de plusieurs façons lors de la formation des cellules sexuelles à l’origine d’un descen- dant. Dans certains cas, un seul gène ancestral est recopié deux fois chez les descendants (1). La copie surnuméraire peut être située à côté de la séquence initiale, ou très loin de celle-ci, par exemple sur un autre chromosome (à droite).

Dans d’autres cas, c’est un groupe de gènes qui est recopié (2).

Là encore, à côté de la position initiale ou éventuellement sur un autre chromosome. Dans certaines lignées, c’est le génome tout entier qui a été dupliqué (non figuré).

(2)

Susumu Ohno, [1]

Evolution by Gene Duplication, Springer- Verlag, 1970.

C.T. Hittinger [2]

et S.B. Carroll, Nature, 449, 677, 2007.

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Le géNoMe de La paRaMéCie, orga- nisme unicellulaire, est représenté sur le cercle extérieur de ce graphe. Cha- que gènes résulte du dédoublement d’un gène ances- tral (les copies sont reliées par les traits rouges). De proche en proche, les généticiens ont déterminé trois états ancestraux du génome (les trois cercles intérieurs), que les duplications ont fait grandir au cours de l’évolu- tion. © CEa / GENOSCOPE

Or, ces derniè- res années, les analyses de génomes entiers ont montré qu’un peu plus de 15 % des gènes sont dupliqués chez l’homme, et 26 % chez la

levure ! De plus, si l’on considère ces gènes dupliqués, on s’aperçoit que beaucoup dérivent d’un même gène initial ayant subi de multiples duplications, et appartien- nent donc à une famille de gènes. En effet, l’étude des génomes l’atteste, 30 % des gènes dupliqués font partie d’une famille de gènes chez la levure Saccharomyces cerevisiae, 38 % chez l’homme, 40 % chez la drosophile, 48 % chez le nématode Caenorhabditis elegans et 60 % chez la plante Arabidopsis thaliana. Ces observations ont provoqué un regain d’intérêt pour les gènes dupli- qués et leur importance dans l’évolution des espèces.

Et très récemment, plusieurs études ont permis de démontrer la validité des prédictions théoriques : les gènes dupliqués forment bel et bien le support permettant l’optimisation de certaines fonctions cellulaires, l’apparition de nouvelles fonctions, voire l’apparition de nouvelles espèces.

En 2007, les Américains Chris Hittinger et Sean Carroll, de l’université du Wisconsin, ont réussi le tour de force suivant : ils ont démontré, via des expé- riences de manipulation de gènes, que la duplication permet effectivement d’optimiser le fonctionnement de certains gènes [2].

Les deux biologistes se sont intéressés à une paire de gènes qui interviennent dans l’utilisation du galac-

tose comme source de car- bone chez la levure Saccharomyces cerevi- siae. Le premier, GAL1, code une enzyme essentielle au métabo- lisme du galactose. Le second, GAL3, code une pro- téine qui favorise l’expression de GAL1. La proxi- mité de séquence entre ces deux gènes indique qu’ils proviennent de la duplication d’un gène unique.

Et l’on suppose que ce dernier codait une protéine bifonctionnelle.

Un gène, deux fonctions

Or une autre levure, Kluyveromyces lactis, possède quant à elle un gène unique, GAL1/3, à la séquence très proche de GAL1 et GAL3, et qui code effectivement une protéine bifonctionnelle. Comme la divergence entre Kluyveromyces lactis et Saccharomyces cerevisiae s’est produite avant la duplication du gène unique ancestral, le gène GAL1/3 présent chez Kluyveromyces lactis peut être considéré comme une bonne approximation du gène bifonctionnel de l’ancêtre commun des deux levures.

Pour voir quel avantage la duplication pouvait bien conférer, Hittinger et Carroll se sont alors lancés dans une série de manipulations génétiques. Ils ont remplacé certaines séquences du gène GAL1/3 de Kluyveromyces lactis par leur contrepartie provenant des gènes GAL1 ou GAL3 de Saccharomyces cerevisiae, et vice versa. Et ils ont ensuite étudié l’effet de ces changements sur la capacité des levures à utiliser le galactose pour proliférer.

(3)

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Résultat : ils ont découvert qu’une mutation située sur le promoteur de GAL1, autrement dit sur la région qui régule l’expression de ce gène, favorise le développement de Saccharomyces cerevisiae lorsque du galactose lui est fourni. Mais si ce promoteur muté est transféré chez Kluyveromyces lactis, en amont de GAL1/3, alors cette espèce se multi- plie moins bien qu’avec son promoteur d’origine non muté. Autrement dit, la mutation n’est favorable que lorsque le gène est dupliqué et que la mutation ne concerne qu’une seule des deux copies.

Cela démontre la validité des prédic- tions théoriques : tant que les levures n’ont possédé qu’une copie du gène, cette mutation, si elle s’est produite, n’a in fine pas été retenue car elle n’était pas favorable à l’organisme.

En revanche, elle a été conservée chez Saccharomyces après la duplication, en amont d’une des copies, car elle constituait en l’occurrence un avantage en permettant l’optimisation de l’utilisation du galactose. C’est ce que l’on appelle la

« subfonctionnalisation », c’est- à-dire un partage des tâches favorisant l’optimisation de la fonction finale.

De telles manipulations du

génome ne sont, hélas, pas encore à l’ordre du jour pour explorer la seconde hypothèse, selon laquelle la duplication peut mener à l’apparition d’une nouvelle fonction chez un organisme donné. Néanmoins, là encore, les généticiens commencent à fournir des don- nées détaillées quant à l’importance évolutive de ce phé- nomène appelé « néofonctionnalisation ».

L’exemple le plus spectaculaire concerne des singes, les colobes. Ces singes sont divisés en colobes d’Asie et d’Afrique équatoriale, qui ont divergé les uns des autres il y a environ 13 millions d’années. Ce sont les seuls primates à s’alimenter de feuilles au lieu d’insectes et de fruits. Comme les ruminants, ils ont un système digestif divisé en quatre compartiments. Les deux premiers renferment des bactéries symbiotiques qui digèrent la cellulose des végétaux. Puis ces bactéries – et tous leurs constituants – sont elles-mêmes digérées dans les deux compartiments suivants. C’est en particulier le cas de leurs ARN, qui constituent pour les colobes une source vitale d’azote. Ils sont dégradés par une enzyme appe- lée la RNAse. Or il se trouve que le système digestif des colobes est beaucoup plus acide que celui des autres singes ou de l’homme. Cette acidité ne permet pas le fonctionnement d’une RNAse classique telle que celle que l’on trouve chez les autres primates. Comment les ARN sont-ils donc dégradés chez les colobes ?

Nouvelle enzyme

En étudiant les colobes d’Afrique, Jianzhi Zhang, de l’université du Michigan, a montré en 2006 que ces ani- maux possèdent trois gènes codant des RNAses distinc- tes, dont une capable de travailler dans le système digestif acide des colobes. L’analyse de la séquence de ces trois

gènes a révélé qu’ils résultent de deux duplications successi- ves, intervenues il y a environ 7 millions d’années [3]. L’une des copies a évolué de telle sorte que les colobes se sont retrou- vés capables de tirer parti d’un régime alimentaire particulier grâce à la nouvelle enzyme codée par ce gène.

Il s’agit là, indubitablement, d’un bel exemple de néofonctionnalisation, qui montre combien l’évolution de copies de gènes dupliqués peut jouer un rôle de premier plan dans l’adaptation des organismes à leur envi- ronnement. Cet exemple vient, par ailleurs, compléter

J. Zhang,

[3] Nat. Genet.,

38, 819, 2006.

J. Zhang [4] et al., Nat.

Genet., 30, 411, 2002.

D. Bikard

[5] et al., Science, 323, 623, 2009.

B. Dujon

[6] et al., Nature, 430, 35, 2004 ;

J. Schacherer et al., Nucleic Acids Res., 33, 6319, 2005 ; J. Schacherer et al., DNA Repair, 6, 1441, 2007.

La duplication peut mener à l’apparition d’une nouvelle fonction chez un organisme

WEn théoriE, lorsqu’un gènE Est dupli- qué, l’une des copies est préservée tandis que l’autre est libre d’évoluer et d’accumu- ler des mutations. Mais il arrive que la copie dupliquée ne mute pas et conserve la fonction originale. Sur le plan évolutif, ce phénomène s’explique lorsque la possession de plusieurs copies confère un avantage à l’organisme.

Il s’agit d’un avantage quantitatif qui découle du fait que la quantité d’ARN messager ou de protéine codée par ce gène augmente.

On parle d’une « augmentation du dosage génique ». Ce scénario est apparemment assez fréquent dans le cadre de l’acquisition, par certains organismes, d’une capacité de résistance à des produits toxiques ou à des infections. En 2004, l’équipe de Sanjeev Krishna, de l’école de médecine de l’hôpital St George de Londres, a ainsi étudié le génome d’une population de Plasmodium falciparum, le parasite responsable du paludisme. Cette population avait pour particularité d’être

résistante à un médicament nommé méflo- quinine. L’équipe londonienne a montré que cette résistance était corrélée à l’augmenta- tion du nombre de copies d’un gène nommé pfmdr1 [1]. Il s’agit d’un gène qui code un transporteur impliqué dans l’expulsion, par le parasite, de nombreuses molécules toxiques (dont la méfloquinine). En avoir plusieurs copies constitue donc un avantage pour la population de Plasmodium concernée.

R.N. Price

[1] et al., Lancet, 364, 438, 2004.

Duplication sans modification

avaNtage

LeS CoLobeS, avec leur système digestif particulier, sont les seuls primates à se nourrir exclusivement de feuilles.

Cela grâce à une enzyme codée par un gène issu d’une duplication.

(4)

nº 429 | avril 2009 | la recherche| 53 celui que Zhang avait mis en évidence en 2002 chez les

colobes d’Asie : il avait alors montré que ces singes pos- sèdent deux RNAses, dont une capable de travailler en milieu acide, et qu’elles sont elles aussi codées par deux gènes issus de la duplication d’un gène unique [4]. Cela dit, toutes les duplications n’aboutissent pas for- cément à de la subfonctionnalisation ou de la néo- fonctionnalisation. C’est le cas lorsque les mutations qui s’accumulent sur l’une des copies sont délétères ou ne confèrent ni avantage ni désavantage. Cette copie dégénère alors en une relique du gène initial, un « pseudo-gène » non fonctionnel, qui ne code plus aucune protéine.

Séparation reproductive

Sur le plan évolutif, de telles duplications semblent constituer un coup d’épée dans l’eau. Mais ce n’est pas forcément le cas ! En effet, on a maintenant la preuve qu’un phénomène de duplication suivi de la perte d’une des copies ou de sa dégénérescence en un pseudo-gène peut jouer un rôle évolutif d’envergure : ces duplications favorisent la séparation reproductive entre deux populations qui n’en formaient initiale- ment qu’une seule. Elles peuvent donc favoriser, éven- tuellement, l’apparition de nouvelles espèces.

Cette éventualité avait été très tôt décrite sur le plan théo- rique dans les années 1930 par Theodosius Dobzhansky et Hermann Müller. La théorie de base, adaptée au cas plus particulier des duplications, est la suivante. Deux populations, descendant d’un ancêtre commun chez lequel un gène donné s’est dupliqué, peuvent évoluer de manière divergente. Par exemple, chaque population peut perdre l’une des deux copies de ce gène.

S’il ne s’agit pas de la même copie, cette perte peut avoir une conséquence notable non pas au niveau de chaque population prise séparément, mais lors du croisement entre individus issus des deux populations. En effet, un tel croisement est susceptible d’engendrer des hybrides dont certains gamètes pourront être privés de toute copie fonctionnelle du gène en question [fig. 2]. Aussi plausible que soit ce scénario, il était difficile à prouver. C’est pourtant ce que vient de faire, en jan- vier 2009, une équipe française dirigée par Olivier Loudet, de l’INRA de Versailles, en collaboration avec une équipe de l’université de Nottingham. À ce jour, c’est le seul exemple démontrant le rôle d’une duplication récente dans l’isolement reproductif [5].

Olivier Loudet et ses collaborateurs ont travaillé chez la « plante-modèle » Arabidopsis thaliana. Après croi- sement entre deux souches sauvages d’Arabidopsis, appelées Columbia et Cap Verde Island, ils ont constaté que certains descendants de la deuxième génération n’étaient pas viables : l’embryon ne se développait pas.

Poursuivant leurs investigations, ils ont alors réalisé que cette non-viabilité était imputable à un gène, HPA, qui code une enzyme impliquée dans la biosynthèse

d’un acide aminé nécessaire à la croissance des plantes.

L’examen du génome des plantes a montré que ce gène s’est récemment dupliqué du chromosome 1 au chromosome 5, et que les dupli- cats ont évolué différem- ment dans les deux souches : la copie portée par le chromosome 1 a été inactivée dans la souche Columbia, tandis que dans la souche Cap Verde, la copie portée par le chromosome 5 a été perdue. Certains descendants de seconde génération, qui se retrouvent dépourvus d’un gène HPA actif, ne sont pas viables et meurent au début de leur développe- ment. Sur le plan de l’évo- lution, on a donc bien un début de séparation reproductive entre deux souches d’une même espèce.

Les hypothèses concernant le rôle des duplications dans l’évolution étant les unes après les autres confir- mées, reste toutefois un pan encore très obscur à éluci- der : les mécanismes molé- culaires mis en œuvre. C’est ce que nous tentons de faire à l’université de Strasbourg dans l’équipe de Jean-Luc Souciet. C’est également l’objectif de l’équipe de Bernard Dujon, à l’Ins- titut Pasteur de Paris. En collaboration, nous avons récemment développé des systèmes de sélection qui permettent d’isoler et d’étu- dier l’origine des duplications chez la levure de boulanger Saccharomyces cerevisiae [6]. Actuellement nous savons, grâce à une analyse moléculaire appro-

fondie des duplications sélectionnées, que les méca- nismes mis en œuvre sont variés. Prochain objectif ? Caractériser les mécanismes moléculaires de duplication mis en œuvre au cours de l’histoire évolutive de dif- férents organismes, en particulier les hominidés. ^{W W}J.s.

Perte de gène Fig.2

UN gèNe (eN RoUge) essentiel à la survie d’un orga- nisme est ici dupliqué au cours de l’évolution sur un chromosome (en jaune) différent de celui qui portait la séquence d’origine (A). Puis, dans deux populations différentes, une des copies est devenue inactive (stries rouges) (B). À la première génération d’hybrides de ces deux populations, tous les individus possèdent une copie active du gène (C). Mais les gamètes issus de ces hybrides (qui ne contiennent que la moitié des chromoso- mes) peuvent en être dépourvus : le croisement de ces hybrides entre eux (D) produit un certain nombre de descendants dépourvus du gène, et qui donc meurent rapidement. Ce mécanisme favorise la séparation reproductive entre les deux popula- tions, et donc l’apparition de nouvelles espèces.

poUR eN SavoiR pLUS

W Bernard Dujon, Comment évoluent nos gènes ?, Éditions Le Pommier, 2005.