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Les familles de gènes : origine et rôles dans l’évolution, Didier Casane

Jeudi 11 mars 2010, Laboratoire Evolution, Génômes et Spéciation (CNRS-Gif sur Yvette)

mardi 22 juin 2010, par Séverine

Pour ce jeudi de la recherche du mois de mars, nous avons été accueillis par Didier Casane, chercheur au LEGS (Laboratoire, Evolution, Génomes et Spéciation), situé sur le campus de Gif sur Yvette. Il s’agit d’un institut créé au milieu du XXème siècle et qui s’est tout de suite intéressé aux mécanismes évolutifs. Au programme de cette soirée : un tour d’horizon de ce qu’il faut absolument savoir sur les gènes et l’évolution, suivi d’une visite du laboratoire en compagnie de Didier Casane et de son collègue, Patrick Laurenti.

Tous les organismes vivants possèdent, au sein de leurs cellules, de l’ADN (Acide DesoxyriboNucléique). L’ADN est une très grosse molécule, un polymère, constitué de seulement 4 molécules différentes : les bases ou nucléotides (symbolisées par les lettres A pour l’adénine, G pour la guanine, C pour la cytosine, et T pour la thymine). L’ADN humain est composé de 3 milliards de bases ! Si on déroulait cette fine bobine qu’est l’ADN, on obtiendrait un fil de 1m50, alors que le noyau dans lequel il se trouve a une largeur 500 fois plus petite que le millimètre (5 µm environ). Cette succession de bases (G, A, C et T) constitue le code génétique. Il contient les informations permettant à chaque cellule de pouvoir fabriquer les protéines nécessaires à son fonctionnement. Certaines parties de l’ADN contiennent des suites de bases qui, une fois « traduites » comme on va le voir, peuvent donner naissance à une protéine. Ces séquences sont les gènes. Par exemple, on trouve 20000 gènes chez l’homme et 30000 chez le maïs.

Mais tous les gènes ne sont pas exprimés en même temps. Si tel était le cas, une cellule de la peau produirait de l’hémoglobine, du collagène ou de l’insuline en permanence alors que sa fonction est de produire, et à certains moments seulement, du collagène. En aval des ces gènes sur l’ADN, on trouve donc des petites séquences très importantes, ce sont les promoteurs. Un promoteur est une sorte d’interrupteur qui contrôle l’expression du gène : où, quand et combien de protéines correspondantes doivent être synthétisées par la cellule. Les promoteurs permettent donc à la cellule de la peau de produire du collagène et non de l’insuline. Ils sont donc très importants pour le bon fonctionnement de la cellule.

L’ADN est confiné dans le noyau de la cellule, alors que les protéines sont synthétisées hors du noyau. Il faut donc un messager qui fasse le lien entre l’ADN qui contient le code et les ribosomes, des petits organites qui fabriquent la protéine à partie de ce code. C’est l’ARN (Acide RiboNucléique). Il s’agit d’une copie presque similaire du gène qui est exprimé. Cet ARN comporte la plupart du temps quelques centaines de bases (l’ARN est composé des mêmes bases que l’ADN à l’exception de la thymine qui est remplacée par l’Uracyle : U). L’ARN est produit à partir de l’ADN, c’est la transcription. Il est exporté hors du noyau pour ensuite être transformé en protéine par les ribosomes. C’est l’étape de traduction.

Toutes les protéines sont constituées des mêmes unités de base, les acides aminés. Parmi la centaine d’acides aminés qui existent à l’état naturel, seulement 20 sont utilisés par la cellule et constituent le code protéique. Ce code protéique n’est en fait qu’une traduction du code génétique. Et pour passer du code génétique au code protéique, il suffit d’assembler 3 bases, pour définir un codon qui symbolise un acide aminé. Ainsi un ARN de 300 bases donnera une protéine de 100 acides aminés. Les acides aminés sont importants car leur enchaînement donne à la protéine des formes caractéristiques et donc des propriétés totalement différentes.

de l’ADN à la protéine
© Wikimedia commons, G. Bokiau

Toutefois certains événements peuvent induire des modifications de la composition de ces protéines. Ce sont les mutations. Les mutations sont des événements naturels mais dont la fréquence peut augmenter pour de nombreuses raisons (exposition aux ultraviolets, à certains produits chimiques…). Une mutation se caractérise par un changement de base sur l’ADN. Un A peut devenir un C, un T ou un G. Le simple changement d’une seule base sur les milliards qui constituent l’ADN peut avoir des conséquences importantes si la mutation a lieu dans un promoteur ou dans un gène. Toutefois, si un gène est muté, il n’y aura des conséquences que si l’erreur est répétée lors de la traduction du code génétique en code protéique et ce n’est pas toujours le cas (il existe dans l’organisme des mécanismes de vérification !) On a souvent une idée négative des mutations mais ce sont les mutations qui permettent l’évolution. Elles peuvent entraver mais aussi améliorer voire changer la fonction d’une protéine. Et c’est entre autres la succession des mutations au fil des générations qui a engendré la diversité des organismes vivant sur Terre.

Un autre phénomène entre en jeu dans l’évolution : les duplications de gènes. Parfois, il arrive qu’un gène (voire un morceau entier d’ADN) se duplique ou disparaisse. Dans le cas de la duplication, on obtient alors deux copies identiques. Toutefois, si au fil des générations des mutations différentes touchent ces deux gènes initialement jumeaux, on observe une lente différenciation. Les deux gènes n’auront alors plus la même séquence génétique et il se peut même que l’on obtienne des protéines différentes à cause de ces mutations. Imaginons maintenant que le phénomène de duplication se reproduise plusieurs fois au cours de l’évolution, on obtiendra alors n copies du même gène qui pourra, après plusieurs mutations, donner n copies de gènes presque semblables, mais pas identiques. L’ensemble de ces gènes possédant une séquence très proche mais légèrement différente est appelé famille multigénique.

Les mutations n’ont pas seulement lieu dans les gènes, elles touchent aléatoirement toutes les parties du génome. Si une mutation affecte un promoteur, ces fameux interrupteurs, ce n’est pas la composition de la protéine qui change mais son profil d’expression ou l’intensité de sa production. On peut alors imaginer que plusieurs mutations puissent faire pousser une dent à un endroit tout à fait saugrenu. Et bien l’équipe de D.Casane s’intéresse justement aux familles multigéniques qui codent des protéines impliquées dans la formation des dents pour pouvoir retracer l’histoire évolutive de ces gènes. Ils comparent les dents (leur localisation, leur structure) au sein des vertébrés en s’attardant sur les différences entre les espèces.

Medaka ou oryzias latipes
© Wikimedia commons
Roussette ou scyliorhinus canicula
© Wikimedia commons

Chez l’Homme, c’est une observation facile à faire : les dents sont situées dans la bouche. Mais ce n’est pas le cas chez de lointains cousins faisant partie, comme l’espèce humaine, de la grande famille des vertébrés. En effet, chez le poisson zèbre, espèce modèle de laboratoire, les dents se situent dans le pharynx. Celles du medaka, petit poisson du sud-est asiatique, sont dans le pharynx mais aussi dans la bouche. Et enfin chez la roussette, on retrouve des dents à l’intérieur de la bouche mais également sur toute la surface de la peau. On parle alors de dents dermiques.

Nous avons pu au cours de la visite du laboratoire observer des embryons de roussette et de medaka que les chercheurs utilisent pour leurs expériences. Nous avons également observé au microscope des coupes colorées préparées quelques heures avant, afin de mieux localiser la position des dents chez les différents organismes. C’est sur ce type de coupe que travaillent au quotidien les scientifiques et c’est à partir de ces observations qu’ils émettent leurs hypothèses.

Comment expliquer ces profils d’expression si différents et parfois atypiques ? Il y a fort à parier que les promoteurs ne sont pas exactement les mêmes et que, dans le cas de la roussette, ils commandent aux cellules situées dans la bouche mais également à celles situées sur l’épiderme de produire des dents. Comparer ces familles multigéniques ainsi que les promoteurs qui gouvernent leurs expressions est un travail compliqué et long. Tout d’abord, les chercheurs doivent analyser les séquences génétiques de chaque gène d’une famille multigénique mais aussi de leur promoteur afin de remarquer des mutations et tenter de comprendre l’histoire évolutive de ces gènes. Pour savoir si un gène s’est exprimé, on peut regarder si de l’ARN a été produit. On utilise pour cela des sondes se fixant - s’hybridant - spécifiquement à l’ARN ciblé. La sonde, une fois hybridée, va pouvoir être colorée et indiquera la ou les cellule(s) où le gène est exprimé ainsi que l’intensité de l’expression.

La machine permettant l’hybridation des sondes nous a été présentée par les deux chercheurs. Elle effectue le travail fastidieux de multiplier les cycles de bain dans une solution contenant la sonde suivi d’un rinçage qui occuperait un chercheur pendant de nombreuses heures. Ainsi, grâce à cet appareil, ils peuvent lancer des expériences la nuit et donc faire d’autres expériences grâce au temps libéré.

Enfin les chercheurs comparent les informations obtenues (séquence génétique, profil d’expression) chez les différentes espèces dans le but de retracer l’histoire évolutive de ces familles multigéniques et de comprendre quand et comment les dents sont apparues dans la bouche et sur le dos de la roussette et pourquoi le poisson zèbre n’en possède que dans le pharynx. Pour cela ils utilisent le principe de parcimonie que l’on pourrait traduire ainsi : l’hypothèse la plus simple est souvent la bonne ! On pourrait en effet inventer des milliers de scénarii différents pour expliquer pourquoi le poisson zèbre n’a de dents que dans le pharynx alors que le medaka en a dans le pharynx mais aussi dans la bouche. Selon le principe de parcimonie, l’hypothèse la plus simple est qu’un unique évènement est à l’origine de cette différence :
- soit l’ancêtre commun du medaka et du poisson zèbre, qui vivait il y a plusieurs millions d’années, avait des dents dans la bouche et dans le pharynx ; une mutation a abouti à la perte de dents pour les espèces qui donneront plus tard le poisson zèbre.
- soit l’ancêtre commun possédait des dents juste dans le pharynx et une mutation chez les ancêtres du medaka a provoqué l’apparition de dents supplémentaires dans la bouche.

Le principe de parcimonie élimine l’hypothèse de la succession d’évènements d’apparition/disparition du même caractère. L’exemple du medaka et du poisson zèbre est un cas très simplifié ; les chercheurs en évolution comme D. Casane créent des arbres phylogénétiques des vertébrés, sortes d’arbres généalogiques, en considérant plusieurs espèces et plusieurs caractères ou gènes. Le principe de parcimonie permet donc de simplifier les algorithmes qui génèrent ces arbres phylogénétiques.

Les chercheurs dans les sciences de l’évolution tentent de percer les mystères de l’apparition des espèces et de leurs évolutions. De nombreuses équipes de recherche sont penchées sur ce sujet complexe et sujet à polémiques, tant il touche à nos convictions profondes. Mais les recherches sur l’évolution ont le mérite de nous rappeler que malgré les apparences, l’espèce humaine et le poisson zèbre ont un jour eu un ancêtre commun (certes, il y a bien longtemps), qu’ils ont eu le même nombre de millions d’années de temps pour évoluer, indépendamment l’un et de l’autre, pour donner aujourd’hui, d’un côté un homme moderne et de l’autre un petit poisson adapté à son écosystème.