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Stabilité, variabilité de génomes et évolution, Niveau Terminale S 

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Exercice "Évolution des gènes de la famille du NPY" 

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Auteur : Hervé Tostivint (Professeur, MNHN)

La version pdf de cet exercice est téléchargeable ici. 

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Notion et contenus du programme de Terminale S (HS du B.O. du 30 août 2001) en lien :

« Au sein du génome d’une espèce, les similitudes entre gènes (familles de gènes) sont interprétées comme le résultat d’une ou plusieurs duplications d’un gène ancestral. La divergence des gènes d’une même famille s’explique par l’accumulation de mutations. Dans certains cas, ces processus peuvent conduire à l’acquisition de gènes correspondant à de nouvelles fonctions. Les innovations génétiques sont aléatoires et leur nature ne dépend pas des caractéristiques du milieu. »

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La famille du neuropeptide tyrosine (ou NPY, ainsi appelé car Y correspond à l’abréviation de la tyrosine dans le code à une lettre des acides aminés) comporte chez l’homme trois peptides codés chacun par un gène particulier : 

  • le NPY, auquel la famille doit donc son nom
  • le peptide tyrosine tyrosine (PYY)
  • le polypeptide pancréatique (PP)

Tous trois sont impliqués dans le contrôle de la prise alimentaire et, de ce fait, actuellement très étudiés dans le cadre des recherches sur l’obésité. 

A partir des données suivantes on propose de reconstituer l’histoire évolutive des gènes codant ces trois peptides, supposés dérivés tous d’un même gène ancestral, et considérés donc comme paralogues.

Le document 1a fournit un alignement des séquences du NPY du PYY et du PP chez trois espèces de tétrapodes : l’homme, le poulet et la grenouille.

Le document 2a présente les arbres de distances établis à partir de chacun de ces trois alignements.

Le document 2b est un arbre construit selon les mêmes principes que celui présenté le document 2a, mais basé sur un alignement de séquences provenant d’un échantillon plus important d’espèces (document 1b).

On précise que dans un arbre de distance, la longueur des branches est proportionnelle à la distance (nombre d’acides aminés distincts) séparant les différentes séquences. A noter également que la séquence notée Ext sur le document 2a sert uniquement à raciner les arbres.

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Question 1 : Expliquez sur quel argument se fonde l’idée d’une origine commune du NPY, du PYY et du PP. 

Réponse 1 :

La lecture du document 1 permet de constater que les séquences des trois peptides présentent un degré de similitude important quelles que soient les espèces prises en compte, ce qui est un bon argument pour les considérer comme homologues et donc dérivant d’un même gène ancestral.

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Question 2 : Quelles informations tirez-vous des arbres des documents 2a et 2b du point de vue de la similitude des séquences considérées ? Quelle traduction faites-vous de ces données sur le plan de l’histoire évolutive des gènes codant les trois peptides ? Quelle hypothèse devez-vous alors poser ?

Réponse 2:

Analyse du document 2a : Quelle que soit l’espèce considérée, le NPY et le PYY se ressemblent plus entre eux qu’ils ne ressemblent chacun au PP. L’hypothèse à faire pour traduire les distances entre séquences (taux de divergence) en temps est de considérer que les mutations accumulées par les différentes séquences sont survenues à un rythme à peu près constant (horloge biologique).

Hypothèse : Si on admet le principe de l’horloge biologique, cette observation soutient le scénario suivant :

Figure A

Analyse du document 2b : on peut d’abord noter que les séquences des trois peptides forment trois groupes monophylétiques, ce qui est parfaitement en accord avec leur état de paralogues (c’est à dire issus de duplications). En revanche, on peut constater que la phylogénie des espèces n’est pas du tout conservée au sein de chaque groupe (ce qui signifie que l’arbre ne traduit pas parfaitement les relations phylogénétiques entre les espèces. Ainsi, la séquence du NPY de l’alligator s’avère identique à celle de l’homme alors que celle du mouton s’en distingue par deux résidus). Au delà de ces détails, les relations entre les trois peptides notées précédemment sont conservées et les mêmes conclusions restent valables.

Le document 3 présente la distribution des différents peptides de la famille du NPY chez l’ensemble des vertébrés.

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Question 3 : Quelle information fournie par le document 3 vous parait la plus frappante ? N’est-elle pas en contradiction avec les données du document 2 ? Quelle hypothèse pouvez-vous proposer pour lever cette contradiction ?

Réponse 3 :  

Le PP n’est présent que chez les tétrapodes alors que le NPY et le PYY existent chez l’ensemble des vertébrés. L’apparition du PP ne semble donc pas pouvoir avoir précédé celle du NPY et du PYY, ainsi que le suggère le document 2. Il faudrait sinon admettre que le gène du PP ait été perdu indépendamment chez plusieurs lignées (pétromyzoniformes, sélaciens, téléostéens) ce qui n’est évidemment pas le scénario le plus parcimonieux.

Pour expliquer le caractère contradictoire des documents 2 et 3, on peut admettre que les arbres du document 2 sont faussés à cause d’une vitesse d’évolution du gène du PP beaucoup plus élevée que celle des gènes du NPY et du PYY. Cette explication oblige à admettre que l’hypothèse d’horloge biologique posée précédemment n’est pas valide. 

Le document 4 présente la localisation chromosomique (Chr.) des gènes codant le NPY, le PYY et le PP chez l’homme.

Question 4 : Quelles observations importantes tirez-vous du document 4 ? Quel scénario évolutif pouvez-vous proposer pour rendre compte de l’existence des gènes du NPY, du PYY et du PP ? 

N.B. Pour répondre à cette question, vous tiendrez également compte du fait qu’un peptide structurellement apparenté au NPY existe chez les protostomiens.

Réponse 4 :

Les gènes du PYY et du PP sont situés à proximité l’un de l’autre sur le même chromosome, ce qui suggère que le gène du PP est issu d’une duplication en tandem du gène du PYY. On peut donc faire l’hypothèse que cette duplication est tout juste antérieure à l’émergence des tétrapodes. En combinant cette information avec les données du document 3, on peut proposer le scénario évolutif suivant :

Figure B

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On peut voir par ailleurs que les gènes du NPY et du PYY sont extrêmement proches des gènes de deux des complexes Hox , HoxA et HoxB. Cette proximité suggère une évolution parallèle des deux ensembles de gènes. Sachant que l’existence des quatre complexes Hox est une conséquence directe de la double tétraploïdisation subie par les vertébrés au tout début de leur histoire, on peut donc proposer (voir schéma ci-dessous) que le gène ancestral du NPY et du PYY s’est dupliqué deux fois successivement, pour engendrer 4 copies paralogues et qu’ensuite, seulement deux d’entre elles ont subsisté, les deux autres ayant été perdues. A noter que l’existence d’un gène ancestral de la famille du NPY chez l’ancêtre commun des cordés est attestée par l’existence d’un peptide de cette famille chez les protostomiens. Sans cette donnée, on pourrait parfaitement envisager une apparition plus tardive de ce gène et un scénario sans épisode de perte génique.

Figure C

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NB. Des variations de ce scénario sont parfaitement envisageables, en particulier du point de vue de la chronologie des pertes des gènes issus du gène NPY/PYY ancestral.

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En conclusion, les données présentées dans cet exercice montrent qu’une analyse phylogénétique basée simplement sur une comparaison de séquences protéiques (ou d’acides nucléiques) peut conduire à des conclusions erronées et que la prise en compte de la localisation chromosomique des gènes correspondants peut apporter des informations précieuses.

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Modifié le: jeudi 26 avril 2018, 13:38