Les différents scénarios pour expliquer l'origine des Introns.
Introduction :
Intron vient de intragénic region. Il s'agit d'une portion de gène non codante. On doit ce nom à Walter Gilbert en 1978. Mais le plus important revient à Philip Allen Sharp et Richard J. Roberts pour leur observation d'introns en 1976 dans les ARNm d'adénovirus. Ils eurent le prix Nobel de Physiologie en 1993.
I) Les Introns
a) Les trois types d'introns
Il existe 3 grand groupes d'introns :
– Introns à Splicéosome : Localisé dans les noyaux des Eucaryotes complexes.
– Introns groupe 1 et 2 : In vivo différent de in vitro. In vitro, activité autocatalytique de l'ADN sur leur excision. Et in vivo, action de protéines. Ces introns peuvent se comporter comme des structures mobiles, grace à la réverse auto épissage pour le groupe 1 et la reverse transcriptase pour le groupe 2.
– Archéo introns : Mécanisme d'épissage inconnu.
b) Epissage et fonctionnement
Plus précisément, lors de la transcription des gènes, un pré ARNm est synthétisé puis subit le phénomène d'épissage dans le noyau de la cellule. Le pré ARNm avant épissage contient des Introns, après épissage non. On parle alors d'ARNm mature … transport vers le cytoplasme pour traduction en protéines … L'épissage peut se faire via des complexes appelés Splicéosome mais il faut savoir que certains introns ont la capacité de s'auto-épisser, important pour leur classification ! L'épissage alternatif ( non constitutif ) permet d'épisser un gène en plusieurs ARNm mature, ici la boucle d'épissage peut prendre aussi bien 1 intron, que 2 introns et 1 exon !! La règle d'un gène = 1 protéine est balayée.
En gros, le génome humain avec ses quelques 30.000 gènes en auraient 70% d'épissables
alternativement, et par ce procédé, un gène donne 4 ARNm variants. Soit au final 100.000 protéines différentes !!
(Disposition des introns :Phase 0 : Juste après un codon.Phase 1 et 2 : Dans un codon.)
II) Les introns précoces.
L’ hypothèse des "introns-précoces” de Walter Gilbert propose que les introns existaient avant la divergence des procaryotes et des eucaryotes.
a) Avant 1978 et les découvertes de 1976-77
Nous savions déjà que les gènes eucaryotes étaient long, que les mêmes gènes pouvaient être situé à des endroits différents pour différents membres d'une même espèce, que beaucoup d'ADN étaient silencieux. Mais nous ne connaissions pas les introns, la découverte fut une réelle surprise
Walter Gilbert est à l'origine de la théorie des introns précoces et des termes exons et introns en 1978.
b) Principes de cette théorie
Cette théorie repose sur le fait que chaque exons représente la séquence codante d'une petite protéine ancestrale. Les exons étaient auparavant des minigènes.
Au cours de l'évolution, des réarrangements se sont produits, ce qui à entrainé la réunion de
séquences de différents gènes. Les introns sont les pièces sans réelle fonction qui tiennent les exons ensemble. Tous les gènes ont été construit de cette façon. Ce mécanisme conduit donc à la
formation de nouvelles protéines. Ceci serait possibles grâce à l'épissage aléatoire qui rassemble ces séquences en une unité de transcription. Les ARNm produits posséderaient donc des niveaux de maturation différents. Si un de ces réarrangement conduisait à la synthèse d'une nouvelle protéine conférant un avantage sélectif à la cellule alors ce réarrangement sera retenu (par les processus de sélection naturelles). L'examen des structures des protéines actuelles chez les eucaryotes suggèrerait que ce processus ait pu se produire grand nombre de fois.
Les bactéries n'auraient pas d'introns, et les eucaryotes unicellulaires en ont très peu parce qu'ils les auraient perdu dans les étapes ultérieures de l'évolution.
Si les gènes ont évolué ainsi, où chaque exon coderait pour une partie de protéine. Les protéines ont des sous-unités ou domaine. Jusqu'à récemment, les biologistes pensaient que chaque exon codait pour un domaine protéique séparé (spécifique) . Mais maintenant nous savons que ce n'est pas toujours le cas, les exons ne correspondent pas toujours à ces domaines; les « pauses » entre-eux , les introns, se produisent parfois au milieu d'un domaine. Parfois les « pauses » se produisent même dans un seul codon. C'est un fait préjudiciable à la théorie parce que tout les minigènes qui ont commencé au milieu d'un codon serait « ruinée » par l'erreur de séquençage.
Petite conclusion :
Les introns sont les frontières entre d’anciens gènes codant pour des domaines protéiques distincts Au cours de l’évolution, ces protéines anciennement indépendantes auraient été réunies en de nouvelles combinaisons qui produisent des protéines plus complexes par redistribution des domaines (exon shuffling)
Les introns délimitent des unités structurales ou fonctionnelles des protéines :
les introns ne semblent pas séparer des parties fonctionnelles distinctes des protéines
III) Les introns tardifs ( Intron late ).
Hypothèse de l'insertion dans les gènes eucaryotes après la divergence Procaryotes-Eucaryotes.
Colonisation par Introns de groupe 2. Leur motivation serait la réplication.
Historique des introns tardifs et origine.
a) 1986
La théorie des introns tardifs fut émise par Darnell et Doolittle en 86. Les introns auraient évolués par insertion dans les gènes, et par perte au cours de l'histoire des eucaryotes. Le découplage entre transcription et traduction chez les eucaryotes, et non chez les procaryotes, aurait permis l'expansion des introns de type 2, car capable d'auto épissage.. L'épissage inverse aurait permis aux introns d'intégrer l'ADN. On pense que les introns auraient été acquis par transfert horizontal lors de l'endosymbiose. On apprend que l'absence d'introns chez les procaryotes est sûrement du au
couplage transcription traduction, quasi immédiat. Les seules introns observés des procaryotes sont localisés sur des ARNr ou ARNt, et ils sont très peu.
b) 1991 à 1996, la montée en puissance des introns tardifs
Plamer et Logsdon avancent en 1991 que l'inclusion des introns est du par des introns de type 2 dans le génome nucléaire. Ils avaient à l'époque, élaboré un argument phylogénétique basé sur la distribution des introns nucléaires sur l'arbre de vie. Ils en tirèrent que leur répartition très restreinte ne pouvait que signaler une insertion sur des gènes pré-formés. Donc des introns tardifs.
Puis c'est au tour de Stoltzfus en 1994 de conforter l'hypothèse des introns tardifs. Il établit une corrélation entre des gènes et des protéines de structures.
Il met à mal l'évolution des introns, son expérience n'est pas conforté par le nombre d'échantillon car seulement 4 modèles de gènes furent testés. L'alcool deshydrogenase, TPI, , la globine et la pyruvate kinase avec 62 positions d'introns.
L'hypothèse des introns tardifs ne datent pas d'hier, Cavalier Smith en 1985, les décrivaient comme égoiste et sans fonction cellulaire distincte. Et disait que les introns se sont insérés après la
divergence Procaryote-Eucaryote. Ils ne chercheraient qu'a se répliquer. Vrai et faux car ils servent tout de même à un gène de produire des protéines différentes, vu précédemment !
Insertion/délétion des introns confortés par : Séquence de la protéine TPI pour 19 espèces, la flèche représente l'apparition d'un intron dans la séquence.
Insertion/délétion :
Les introns seraient donc des envahisseurs récents de gènes.
La découverte que des introns de gènes mitochondriques et nucléocytoplasmique ont la même localisation porte à croire que les introns ont une préférence d'intégration sur un site. Aussi observé dans les gènes des vertébrés, cela concordant à une origine tardive des introns.
c) Lynch et la phase 0.
L'abondance d'introns en phase 0 fait naitre bon nombres de théorie plus ou moins crédibles, pourquoi les introns seraient présent en plus grande quantité sur cette phase 0 et non la 1 et la 2 ? Lynch apporte un élément de réponse.
Tous les introns ne seraient pas égaux en capacité mutagène, si une mutation, donnant une
contraction ou expansion de l'intron, touche un triplet de nucléotide, elle sera moins délétère qu'une autre. Car il n'y aura pas de décalage dans la lecture ! Pour la phase 0.
Pour la phase 1 et 2, les mutations de triplets vont changer les codons, certes le cadre de lecture restera inchangé mais la mutation peut introduire un changement radical voire un codon Stop.
Donc selon Lynch, les introns en phase 0 sont beaucoup plus favorisés, et donc au final, plus abondant.
IV) Autres théorie :
a) Introns first : Les exons proviendraient de régions non codantes intergéniques de l'ARN dans le RNA World.
Dans cette théorie ce sont les régions intergéniques datant du RNA world qui ont évolué pour
"aider" et "améliorer" l'action catalytique des gènes ARN. A la fin ce sont ces régions accesoires qui sont devenues les ARN messagers.
CONCLUSION :
De nombreux gènes sont très proches du moins évolué au plus évolué des animaux eucaryotes.
Souvent, la différence principale, entre les différentes créatures, du même gène est qu'elle contient plus d'introns quand vous montez dans la hiérarchie évolutive. Pour tout un petit nombre de gènes, la version possédée par les eucaryotes inférieurs tels que la levure n'a pas d'introns, tandis que les versions dans les animaux les plus hautement organisées telles que les humains en a beaucoup. Les espèces intermédiaires auront un nombre intermédiaire d'introns dans ce gène. Le nombre d'introns pourrait être liée au nombre de fois qu'un gène a été transporté à travers des espèces durant
l'évolution
En 1995, un groupe de scientifiques à l'Ohio State a constaté que certains introns possédaient une capacité appelée «homing». Ces introns peuvent s'insérer à exactement la même position qu'ils occupent habituellement dans la version qui a des introns. Cela arrive par un mécanisme surprenant - la transcription ARN de l'intron est épissé directement dans le gène d'ADN. Ensuite par
transcription inverse, le complément d'ADN de l'ARN est fabriqué et ajouté au brin d'ADN.
L'insertion précise des introns fait partie du processus par lequel les gènes nouveaux se sont installés. Comme les scientifiques à l'Ohio State l'ont commenté, «... ... les introns pourraient bien être la clé pour déterminer où de nouvelles informations sont transférées dans un gène."
Des travaux additionnels en 1998 renforcent la possibilité que les introns pourraient jouer un rôle actif dans l'évolution. Ils ont réalisé une expérience avec un intron mobile de groupe II de l'espèce bactérienne Lactotottus lactis, qui présente une capacité de "retrohoming". Ils ont trouvé que ces introns sont capables de transporter et d'installer "de longues séquences étrangères, sans
compromettre leurs activités catalytiques ou de mobilités." Ils suggèrent que l'intron pourrait être adapté pour insérer « des séquences étrangères dans une grande variété des eucaryotes »
Plus on cherche des réponses sur les introns et plus on trouve de nouvelles questions.
Sources :
Biologie moléculaire par David Freifelder edition Masson 1990 Trends in biochemical sciences reference edition volume 18 1993
An overview of the introns-first theory Journal of Molecular Evolution(2009) Volume: 69, Issue: 5, Publisher: SPRINGER, Pages:527-540
http://www.panspermia.org/introns.htm http://www.cnrs.fr/Cnrspresse/n34a1.html
http://www.cmgd.adelaide.edu.au/links/ElderDavidPaper.pdf Origin and Evolution of New Gene Functions, de Manyuan Long http://books.google.fr/books?
id=Th2pJZ3FRKMC&pg=PA118&lpg=PA118&dq=intron+origin+experience&source=bl&ots=1K 7AuBDE--&sig=PcJITycF4ZoQv5O1_0U1gllLqWI&hl=fr&ei=QD2gTuqnKcOh-
Qb1s82NBQ&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=1&ved=0CCQQ6AEwAA#v=onepage&
q=intron%20origin%20experience&f=true
http://web.uconn.edu/gogarten/mcb221_2005/class24.html http://www.pnas.org/content/92/18/8503.long
