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Stabilité, variabilité des génomes et évolution Niveau Terminale S

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Duplications géniques et évolution des génomes

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Auteur : Hervé Tostivint (Professeur, MNHN)

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Sommaire : 

Introduction

 I. Les différents types de duplications

A. Les duplications par recombinaison inégale

B. Les duplications par tétraploïdisation

II. Les devenir des gène dupliqués

Conclusion

Pour en savoir plus 

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Introduction 

Une des observations majeures résultant de l’exploration moléculaire des génomes entreprise depuis maintenant plus de 25 ans est qu’une proportion importante des gènes qu’ils contiennent peut être regroupée sous forme de familles. Le séquençage de génomes entiers, qui s’est intensifié au cours de ces dernières années, a largement confirmé cette réalité en montrant même qu’elle avait été initialement largement sous-estimée, puisqu’on estime aujourd’hui que chez les eucaryotes, entre 30 et 70% des gènes appartiennent à de telles familles. Une famille multigénique se définit comme un ensemble de gènes présentant des séquences plus ou moins similaires. Ces similitudes de séquences sont classiquement interprétées comme un indice de parenté, de sorte que les gènes d’une même famille sont considérés comme dérivant tous d’un gène ancestral commun. La duplication constitue le processus principal par lequel de nouvelles copies d’un gène peuvent être engendrées au cours de l’évolution. Des études récentes ont montré que les duplications surviennent à une fréquence comparable à celle des mutations. Il s’agit donc d’un phénomène rare mais absolument pas exceptionnel.

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I. Les différents types de duplications 

  • Le plus fréquent est la duplication en tandem par recombinaison inégale : il s’agit d’un évènement local qui affecte en général un segment chromosomique assez court et donc concerne un nombre limité de gènes (souvent même un seul).
  • L’autre mécanisme important est la tétraploïdisation qui, à l’inverse du précédent est un mécanisme de beaucoup plus grande ampleur puisqu’il concerne le génome dans son ensemble.

Les gènes homéotiques (Hox) des vertébrés constituent un bel exemple de famille multigénique engendrée par la combinaison de ces deux types de duplications.

figure 1

Figure 1. Modèle d'évolution des complexes Hox chez les vertébrés. (a) Constitution d'un complexe Hox par duplications en tandem successives d'un gène ancestral unique; (b) Double duplication "en bloc" d'un complexe Hox originel par tétraploidisation; (c) Organisation du complexe Hox d'une espèce actuelle illustrant l'importance des pertes géniques. 

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A. Les duplications par recombinaison inégale 

La recombinaison homologue survient pendant la méiose, lors de l'appariement des chromosomes homologues. 

figure 2

Figure 2 : Représentation schématique du principal mécanisme à l’origine des duplications en tandem. La recombinaison inégale (en bas). Une représentation de la recombinaison homologue standard est fournie pour comparaison (en haut). Les séquences répétées sont représentées en jaune. Les traits pointillés symbolisent les zones d’appariement homologue. Après recombinaison inégale, les deux allèles du gène dupliqué deviennent chacun une copie de ce gène.

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Sous l’influence des nombreuses séquences répétées présentes dans les grands génomes comme ceux des animaux, il peut arriver que cet appariement se trouve légèrement décalé. En conséquence, si une recombinaison se produit, l’un des chromosomes vient s’enrichir d’un fragment provenant de l’autre chromosome, emportant avec lui un ou plusieurs gènes déjà présents sur le premier. Si la recombinaison n’implique qu’un seul gène, celui-ci et sa copie se retrouvent dans le prolongement l’un de l’autre, d’où leur disposition en tandem. Ainsi, la mise en évidence de gènes apparentés présentant une disposition en tandem est un argument très fort pour penser qu’ils se sont formés par ce mécanisme. L’inverse n’est toutefois pas toujours vrai, car des gènes initialement engendrés par duplication en tandem peuvent être par la suite séparés à la faveur de remaniements chromosomiques, comme par exemple des translocations. Au cours de l’évolution, il arrive parfois que des duplications en tandem se répètent à plusieurs reprises en un même locus. Elles conduisent alors à la formation de complexes multigéniques. Les complexes de gènes Hox, qui existent chez l’ensemble des bilatériens, sont clairement le résultat d’un tel processus.

Figure 3

Figure 3. Schéma illustrant la constitution d’un complexe Hox par duplications en tandem successives d’un gène ancestral unique

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B. Les duplications par tétraploidisation 

La tétraploïdisation est un doublement complet du nombre des chromosomes et donc de l’ensemble des gènes qu’ils portent. Le terme de tétraploïdisation signifie que, pour les animaux par exemple, le caryotype des cellules somatiques passe ainsi de 2n à 4n, même si, par extension, le génome des gamètes devient quant à lui diploïde. La tétraploïdisation peut survenir de deux manières différentes : soit par duplication du génome d’un même individu (on parle alors d’autotétraploïdisation), soit par fusion des génomes de deux espèces proches mais distinctes (on parle dans ce cas d’allotétraploïdisation). Lorsque la tétraploïdisation s’est produite récemment, elle est facile à détecter au niveau du caryotype puisque tous les chromosomes sont en double exemplaire. En revanche, lorsqu’elle est très ancienne, son empreinte caryotypique est effacée par les nombreux remaniements que subissent les chromosomes au cours de l’évolution : cassures, translocations, inversions, délétions, fusions, …

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figure 4
Figure 4. Illustration de la difficulté à reconstituer les évènements de tétraploïdisation dans le génome des vertébrés actuels, en raison des multiples remaniements subis par les chromosomes au cours de l’évolution à travers l’exemple théorique de deux duplications complètes d’un génome originel haploïde comportant six chromosomes (n = 6). Les remaniements chromosomiques peuvent être des cassures suivies de translocation, des délétions, ou des duplications de fragments de tailles plus ou moins importantes.
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Par souci de simplification, la figure n’illustre pas de remaniements entre la première et la deuxième duplication, alors que ceux-ci ont été évidemment possibles. De même, les deux dernières étapes de transformations sont représentées séparément alors qu’en réalité, elles sont indissociables. 

En général, après un temps important, seuls ne subsistent que quelques segments dupliqués disséminés à travers le génome. Ces segments sont appelés ohnologons, en référence au généticien japonais Susumu Ohno qui le premier, en 1970, a développé l’idée d’un rôle majeur des duplications dans l’évolution des génomes. Des études menées au cours des 15 dernières années ont montré que les vertébrés ont subi deux évènements de tétraploïdisation au tout début de leur histoire, il y a plus de 500 millions d’années (Ma). La survenue de ces deux évènements explique que les complexes Hox des vertébrés actuels existent pour la plupart en quatre exemplaires, contre un seul chez les autres bilatériens :

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figure 5

Figure 5. Schéma illustrant la formation des quatre complexes Hox existant chez les vertébrés actuels par la succession de deux duplications « en bloc » d’un complexe originel unique. Ces deux duplications sont en fait la trace d’une duplication de l’ensemble du génome survenue il y a plus de 500 millions d’années chez leur ancêtre commun.

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Il est à noter qu’un évènement supplémentaire de tétraploïdisation a été récemment démontré à la base de la lignée conduisant aux poissons téléostéens, il y a environ 350 Ma.

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II. Le devenir des gènes dupliqués 

Le devenir des gènes engendrés par duplication est une question complexe. Selon le modèle proposé par Susumu Ohno, sur les deux copies, initialement identiques et donc redondantes sur le plan fonctionnel, une seule est suffisante pour continuer à assurer les fonctions du gène ancestral. La structure de cette copie est donc en général fortement conservée. En revanche, l’autre copie, échappant de ce fait aux pressions de sélection, peut évoluer beaucoup plus librement et donc accumuler de nombreuses mutations. Ohno postule que cette évolution peut suivre deux destinées différentes : 

  • la non-fonctionnalisation, lorsque les mutations viennent à abolir les capacités d’expression du gène 
  • la néo-fonctionnalisation, lorsque les mutations permettent l’émergence de fonctions nouvelles, susceptibles par la suite d’être sélectionnées

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figure 6

 Figure 6. Devenir des copies d’un gène après duplication : non-fonctionnalisation et néo-fonctionnalisation

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Un raffinement récent de ce modèle propose l’existence d’une troisième voie, la sous-fonctionnalisation lorsque les fonctions initialement assurées par le gène ancestral se répartissent entre ses deux copies :

figure 7

Figure 7. Devenir des copies d’un gène après duplication : sous-fonctionnalisation

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La première de ces trois voies est de loin la plus fréquente de sorte que, dans la majorité des cas, les copies surnuméraires non fonctionnelles du gène ancestral évoluent sous la forme de pseudogènes et finissent par être perdues. Ainsi, dans le cas des gènes Hox de la souris, seuls trois des treize gènes de chaque complexe sont en quatre exemplaires. Dans tous les autres cas, de une à deux copies sont systématiquement manquantes.

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figure 8

Figure 8. Schéma illustrant l’importance des pertes de gènes dans l’organisation fine des complexes Hox chez une espèce actuelle de vertébré (ici la souris)

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Conclusion

Les duplications géniques représentent, avec les mutations, la source majeure de l’enrichissement du contenu informationnel des génomes au cours de l’évolution. Identifier chez les espèces actuelles les traces des duplications passées et reconstituer ainsi l’histoire de leur génome est l’un des enjeux majeurs des recherches actuelles.

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Pour en savoir plus : 

  • Luchetta et coll. (2005) Evolution moléculaire. Dunod.
  • Ohno (1980) L’évolution des gènes. La Recherche. 107:4
  • Schacherer (2009) La duplication des gènes, moteur de l’évolution. La Recherche 429:50.
  • Tostivint (à paraitre) Familles multigéniques et dynamique des génomes. Biologie-Géologie.

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Last modified: Friday, 15 March 2019, 9:44 AM