Les différents scénarios pour expliquer l'origine des introns
Introduction:
Quelques rappels:
ADN: information génétique codé, (c’est le principal constituant des chromosomes. L’ADN est formé de 2 brins enroulés l’un autour de l’autre en double hélice) c'est une information qui n'a pas de sens biologique.
Pour lui donner son sens biologique, il faut passer nécessairement par 2 mécanismes:
La transcription (ADN—ARN) suivie de la traduction (ARN--- protéine)
Transcription: mécanisme biochimique au cour du quel, une molécule ARN quelconque est fabriqué à partir de séquence d'une des deux brins de l'ADN grâce à une enzyme appelée ARN-polymérase
Chez les eucaryotes, les brins d'ADN sont morcelés en zone codante et non codante Zones insignifiante: introns
Zones signifiante: exons (transcrit et traduit)
Le gène est entièrement transcrit (introns et exons). On obtient un pré-ARN qui ne peut pas servir, il y a donc un autre mécanisme post-transcriptionel très important: la maturation.
La maturation: consiste en une excision (coupure) des transcrits d'introns par des enzymes d'excisions puis un épissage (rabouter) des transcrits d'exons par une enzyme d'épissage. Les transcrits d'intron qui ne servent pas sont hydrolysés pour récupérer les nucléotides. On obtient des transcrits d'exons épisser dans le bon ordre et bon sens: un ARN maturé fonctionnelle pour la traduction.
Un peu d'histoire:
Les introns ont été découverts en 1977, on n'en trouve que dans les Cellules Eucaryotes
C'est en 1980 que l'on découvre le mécanisme de transcription et traduction des cellules eucaryotes En 1998, en rassemblant les différents travaux en biochimie et en biologie moléculaire que l'on se rend compte que les introns jouent un rôle active dans l'évolution et permet de poser les hypothèses des scenarios des origines des introns.
Qu'elles sont les origines des introns dans l'ADN alors qu'ils ne sont pas codant?
I Des introns autonomes !
Les introns se différencient par rapport au gène dans lequel on les a trouvé et de leur mécanisme d'épissage
1. ils ont une activité auto-catalytique sur leur propre excision, ils sont responsables des excisions mais aussi de l'épissage. Ils ne sont pas inertes, on peut les considérer comme des enzymes.
2. Peuvent se comporter comme des éléments mobiles
3. Il y a une variabilité génétique et d'abondance dans les introns entre ceux des unicellulaires et ceux des eucaryotes complexes, on les divise en 4groupes :
- Archéo-introns: trouver dans certains gènes de ARNt et ARNr archéobactérie le mécanisme d’épissage inconnu (on en parlera pas plus dans l'exposé)
- Introns de groupe I trouver dans les cyanobactéries (Tetrahymena) mécanisme passe par deux trans-estérifications (échange d'ester de phosphate), fait intervenir un agent externe.
Première étape: fait intervenir un agent nucléophile externe: la guanosine qui coupe l'extrémité 3' de l'exon A (site donneur de l'exon) en donnant sa partie hydroxyle. Le reste de l'agent se fixant sur l'extrémité 5' de l'intron
Deuxième étape: c'est l’extrémité 5' de l'exon B (site accepteur) qui est coupé par l'hydroxyle puis fixation des 2exons entre eux. (étape identique à celle de l'intron de groupe I)
Cyclisation: excision de l'intron, irréversible, par trans-esterification
- Introns des groupes II trouver dans quelques gènes codant pour des protéines et des gènes codant pour ARNt et ARNr dans les mitochondries de plantes ou champignons et dans les chloroplastes.
Mécanisme d'épissage: 2 trans-estérifications (échange d'ester de phosphate) Auto-excision, fait intervenir un agent interne.
Première étape: fait intervenir un agent nucléophile présent dans la séquence de l'intron: l'adénosine qui coupe l'extrémité 3' de l'exon A (site donneur) de l'exon en donnant sa partie hydroxyle.
Deuxième étape: c'est l’extrémité 5' de l'exon B (site accepteur) qui est coupé par l'hydroxyle puis fixation des 2 exons entre eux.
- Introns à splicéosome ou intron nucléaire:
Son mécanisme
4 seulement dans les gènes des eucaryotes complexes, 25 % du génome humain
L’épissage se déroule dans un complexe ARN-protéines : le “splicéosome” ou complexe d'épissage. Ce sont l'assemblage de particules ribonucléoprotéique nucléaire constitué de petit ARN nucléaire (ARN
splicéosomal, ARNsn) et des protéines associés.
Épissage par deux trans-estérifications, utilisation d'un agent interne + ATP pour activer le complexe Mécanisme d’épissage très similaire aux introns à splicéosomes… ancêtres des introns à splicéosomes ? La différence: n'est pas capable de faire de l'auto-épissage, point commun: intron en forme de lasso Les hypothèses de son évolution:
-Les introns de groupe II serait les précurseurs des introns nucléaires. Pourquoicréer un système d'épissage si complexe que celui des introns nucléaires alors que l'on a déjà un système opérationel avec celui des introns II? Les introns de groupe II, on une structure 3' bien déterminées = contrainte structurale forte. Les introns nucléaires sont plutôt souples même si reste très précis, le splicéosomes est la solution à cette nécessité de précision et de souplesse.
-ou : déterminisme chimique, les 2introns auraient évoluées de manières convergentes et parallèles.
ADN
5' 3' brin non transcrit
3' 5' brin modèle
Transcription
5' 3' pré-ARN ou ARN primaire
Maturation
-excision 5' 3'
-épissage 5' 3' ARN mature
-hydrolyse des introns
Les introns de groupe I
Les introns de groupe II
Les introns à splicéosome:
Weaver, R, (2002) Molecular Biology
III Les différentes théories
A. la théorie des introns précoces
Cette théorie proposée par Doolitle et Darnel en 1978 suggèrent que les structures introns-exons sont des éléments génétiques très anciens qui existaient au début de la vie avant les divergence des procaryotes et des eucaryotes dans le dernier l’ancêtre commun universel qu’est LUCA.
Dans le cas où les introns sont aussi vieux que la vie elle-même : l'ARN , plutôt que l'ADN, était le support de l'information génétique. L’ADN est alors considéré comme un ARN modifié. Par conséquent, cette phase est appelée «monde de l'ARN».
On évoque l’existence ce mini-gène qui à un stade ultérieur de l’évolution auraient été assemblés pour former les gènes que l’on connait maintenant. Tous les gènes auraient été construits de cette façon. Cette théorie a été avancée sur la base de l’observation d’une certaine correspondance entre exons et domaines protéiques dans les gènes très anciens.
Suivant les différentes lignées (procaryotes et eucaryotes), ils auraient connu un destin différent :
-chez les procaryotes : les introns ont tous été perdus parce qu’ils les ont perdu dans les étapes ultérieures de l’évolution vers une économie métabolique accru.
En effet, la pression principale dans l'évolution des procaryotes avait un taux maximum de réplication, d'où l'élimination de toutes les pièces non essentielles des génomes. Les introns, évidemment, ne survivraient pas en vertu du présent régime évolutif dans les grandes populations par la sélection purificatrice intense.
- tandis que chez les eucaryotes ils ont été maintenus comme des introns avec l’apparition du splicéosome (=ou complexe d’épissage)
Pour un tout 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 créatures les plus complexes telles que les humains ont cinq à cinquante introns (25% du génome humain). Les espèces intermédiaires auront nombres intermédiaires d'introns dans ce gène. Le nombre d'introns pourrait être lié au nombre de fois qu’un gène a été transporté à travers les espèces durant l'évolution.
Cependant, les dernières données sur les séquences de génomes ne supportent pas cette vue phylogénétique. Une enquête approfondie a montré que chez certains eucaryotes - Giardia liamblia, Trichomonas vaginalis, et Nosema locustae, les génomes contiennent plusieurs gènes pour les protéines spliceosomales, témoignant de la présence de l'intron chez ces espèces !
Et Renato Dulbecco affirme que les introns ne peuvent pas avoir été ajouté tardivement car il ya trop de similitudes entre les introns trouvés dans les espèces qui ont divergé il y a longtemps.
B La théorie des introns tardifs
Théorie proposée par Cavalier-Smith et, Palmer et Logston en 1991.
C’est une théorie en réponse à la théorie des introns précoces.
Les auteurs affirment que les introns sont apparu relativement récemment dans les génomes des eucaryotes donc longtemps après la divergence procaryote/eucaryotes ; et que les introns sont des éléments transposables capables d’être acquis dans un gène ou d’en être rayé, ils auraient colonisés les gènes, et qu’ils ne correspondraient pas nécessairement à une des éléments structurels protéiques comme des hélices ou brins.
Après la découverte des introns du groupe II, il a été proposé que les introns avaient été acquis par transfert horizontal lors de l’endosymbiose. Le découplage entre transcription et traduction chez les eucaryotes aurait permis l’explosion des introns. Cette explosion aurait été permise par l’épissage inverse qui permet à un intron de s’intégrer dans l’ADN génomique après transcription-inverse. Cependant, les tenants de la théorie n’excluent pas d’autres mécanismes pouvant amener à la création de nouveaux introns. En recherche encore aujourd’hui.
Conclusion :
L’origine des introns est l’un des sujets les plus débattus et existant dans la biologie évolutionniste moléculaire aujourd’hui. Ce débat montre que nous savons encore peu de chose sur leur origine et leur réelle fonction. De même, il est clair qu'il ya des forces sélectives sur le nombre et les positions
des introns; leur existence n'est pas toujours neutre.
La théorie des introns tardifs semble être le plus plausible. Une question d’importance se pose alors : pourquoi les introns sont-ils devenus si abondants dans les génomes eucaryotes ?
En effet, les introns sont des composants majeurs de l’ADN génomique et des transcrits primaires de la plupart des eucaryotes. On pourra supposer que le gain des introns été un processus continu pendant l'évolution des eucaryotes.
On pense maintenant que pour résoudre les problèmes de phylogénie et de distance relative aux taxons il faut étudier, séquencer les génomes (analyser les pertes et gains d’introns). Les génomes de Drosophile, Saccharomyces et des primates sont idéaux pour effectuer ses séquençages.
Références
-Rodríguez-Trelles F, Tarrío R, Ayala FJ. Intron evolution as a population-genetic process. Annual review of genetics. 2006
-Gert Korthof. Het intron-mysterie voor gevorderden (2) Evolutie van introns . Evolutie blog : Van alle theorieën die er zijn is die van Darwin nog de beste" [consulté le 2011.10.12]. Lien :
http://korthof.blogspot.com/2011/02/het-intron-mysterie-voor-gevorderden.html
MAUREL, M-C. , La Naissance de la Vie, de l'évolution prébiotique à l'évolution biologique. 3ème édition.
Rodríguez-Trelles F. Origins and evolution of spliceosomal introns. 2006 BELSHAW, R., BENSASSON .D. The rise and falls of introns. 2006
EVOLUTIE BLOG "Van alle theorieën die er zijn is die van Darwin nog de beste" : http://korthof.blogspot.com/
ASSOCIATION DES ETUDIANTS EN BIOLOGIE. Cours de J.-D. Rochaix http://www.asso- etud.unige.ch/aeb/docs/documents.html
Introns: a Mystery. COSMIC ANCESTRY. [consulté le 2011.10.12] Lien : http://www.panspermia.org/index.htm
