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Evolution. Des bactéries aux eucaryotes. Les gènes « sauteurs »

Jusqu'à ce jour, il était difficile d'expliquer un des grands mystères de l'évolution : comment des bactéries ou procaryotes sans noyau apparues sur Terre peu après la formation de celle-ci, environ 4 à 3,6 milliards d'années, avaient pu donner naissance aux eucaryotes, ou cellules à noyau, apparues plus tardivement soit environ 2 à 1,6 milliards d'années

NB. Ce texte est une traduction et une adaptation des articles cités en référence.

La question intéresse en premier lieu l'histoire de la vie complexe, dont les hommes sont issus, mais aussi l'astrobiologie. Si celle-ci découvre des bactéries sur d'autres planètes, auraient-elles pu y donner naissance à des organismes plus complexes, disparus ou encore présents.

Une recherche récente (voir références ci-dessous) suggère que ce seraient les « retrotransposons » du génome, également appelés gènes sauteurs, qui seraient à l'origine de cette évolution. Les retrotransposons sont des séquences d'ADN qui se copient spontanément, au sein du génome, où elles se multiplient rapidement. Environ la moitié du génome humain est constitué de rétrotransposons, Mais les bactéries n'en comportent pratiquement pas. Or sans cette propriété, les bactéries n'auraient pas pu donner naissance aux eucaryotes, comme sauf erreur elles l'ont fait.

Les chercheurs ont eu une idée simple : prendre un retrotransposon prélevé dans un de leur génome et l'implanter dans celui d'une bactérie. Ceci, comme prévisible, avait entraîne la mort de la bactérie. La chose tient au fait qu'en se multipliant, il entraîne la destruction de gènes nécessaires à la vie de la bactérie. Pour se faire une place au sein de l'ADN du génome dans lequel il a sauté, un gène sauteur y découpe un emplacement. Pour survivre un organisme doit renouveler la partie découpée, ce qui se traduit généralement par éliminer le nouveau retrotransposon et donc rendre impossible une mutation, qu'elle soit ou non favorable à l'adaptation darwinienne de l'organisme.

Certaines bactéries, comme e.coli, y arrivent. La plupart ne le peuvent pas, ce qui fait qu'elles ne mutent pas. Par contre, l'ADN des eucaryotes est doté d'un dispositif dit nonhomologous end-joining, ou NHEJ, leur permettant de réparer les coupures sans éliminer le gène sauteur. Celui-ci se trouve donc incorporé dans le génome au sein duquel il peut initialiser de nouvelles mutations, autrement dit permettre l'apparition d'une nouvelle variété de l'organisme ou d'une nouvelle espèce..

Les chercheurs (Goldenfeld et Kuhlman) se sont demandé ce qui se produirait s'ils dotaient une bactérie n'en disposant pas de la capacité d'utiliser l'équivalent d'un NHEJ afin de réparer leur ADN. Mais contrairement à leur attente, ceci n'a fait que favoriser la multiplication des rétrotransposons, accélérant la mort de la bactérie. Ils se rendirent alors compte que l'interaction entre le NHEJ et les retrotransposons était plus importante et complexe qu'ils ne le pensaient.

Les eucaryotes disposent dans leur génome d'une grande quantité de gènes non codant ou intergéniques, dits parfois poubelle (junk), dont la fonction est mal comprise. Les chercheurs ont fait l'hypothèse qu'au sein du génome doit se produire une interaction constante entre le NHEJ et les transposons. Plus le NHEJ cherche à empêcher la reproduction de ces derniers, plus ils se multiplient. Or plus il y a de gènes poubelles dans le génome, ainsi dotés d'un nombre croissant de retrotransposons, plus se multiplient les capacités de mutations, qu'elles soient ou non favorables. En effet la complexité accrue du génome entraîne des recombinaisons et donc l'apparition de nouveaux gènes. Les procaryotes ne disposent pas en général de cette possibilité, ce qui rend leurs mutations plus difficiles.

De plus les eucaryotes possèdent une propriété fondamentale dite spliceosome 1) ou particule d'épissage. Son rôle est d'assurer l'excision des introns des régions non-codantes et la suture des exons qui correspondent aux parties codantes. Un intron est une portion d'un gène qui est transcrite en ARN au sein d'un ARN précurseur, et est ensuite éliminée par un processus d'excision programmé que l'on ne retrouve pas dans l'ARN définitif. Les exons sont les segments d'un précurseur ARN qui sont conservés dans l'ARN après épissage et que l'on retrouve dans l'ARN définitif au sein du cytoplasme. C'est à partir d'eux que se produisent les mutations. Le spliceosome est ainsi une machine moléculaire qui opère au sein de l'ADN poubelle et reconstruit les gènes détruits.

Certaines parties du spliceosome sont semblables aux introns dits du groupe II qui sont chez les bactéries une version primitive des retrotransposons. Les introns qui se trouvent chez les eucaryotes seraient, de même que le spliceosome, des formes évoluées des introns du groupe II bactériens. Mais, en terme d'évolution, se sont demandé les chercheurs, qui est apparu en premier chez les eucaryotes, le spliceosome ou les introns du groupe II. Pour eux, ce fut ces derniers. Mais se pose alors la question de savoir d'où provenaient ces introns du groupe II.

L'étude suggère que les introns du groupe II bactérien ont très tôt envahi les cellules des eucaryotes. Leur interaction avec le NHEJ aurait créé une pression sélective qui a permis l'émergence ultérieure du spliceosome. Ceci aurait permis aux formes de vie complexes d'apparaître plusieurs milliards d'années plus tôt que l'on ne le pensait.

Le spiceosome en résultant aurait permis aux eucaryotes de tirer un meilleur parti de leur DNA. Ainsi le ver C. elegans et l'humain disposent d'un nombre de gènes très voisin. Mais les humains en font un usage plus créateur. Ils peuvent les mélanger et les combiner de façon à répondre à des besoins fonctionnels infiniment plus nombreux que ceux dont dispose C. elegans.

Les chercheurs admettent que, précédemment à leurs recherches, les évolutionnistes avaient admis le rôle des retrotransposons, mais que le rôle essentiel du NHEJ n'avait pas été perçu.

1) Voir spliceosome https://fr.wikipedia.org/wiki/Spliceosome

Références

* Présentation

Jumping genes shed light on how advanced life may have emerged

https://www.igb.illinois.edu/article/jumping-genes-shed-light-how-advanced-life-may-have-emerged

* Article de  pnas.org

Testing the retroelement invasion hypothesis for the emergence of the ancestral eukaryotic cell http://www.pnas.org/content/early/2018/11/14/1807709115

Abstract

Phylogenetic evidence suggests that the invasion and proliferation of retroelements, selfish mobile genetic elements that copy and paste themselves within a host genome, was one of the early evolutionary events in the emergence of eukaryotes. Here we test the effects of this event by determining the pressures retroelements exert on simple genomes. We transferred two retroelements, human LINE-1 and the bacterial group II intron Ll.LtrB, into bacteria, and find that both are functional and detrimental to growth. We find, surprisingly, that retroelement lethality and proliferation are enhanced by the ability to perform eukaryotic-like nonhomologous end-joining (NHEJ) DNA repair. We show that the only stable evolutionary consequence in simple cells is maintenance of retroelements in low numbers, suggesting how retrotransposition rates and costs in early eukaryotes could have been constrained to allow proliferation. Our results suggest that the interplay between NHEJ and retroelements may have played a fundamental and previously unappreciated role in facilitating the proliferation of retroelements, elements of which became the ancestors of the spliceosome components in eukaryotes.

Image

Caenorhabditis elegans est un petit ver d'un millimètre environ, transparent, se nourrissant principalement de bactéries. Il est universellement utilisé dans les laboratoires de biologie. Il est difficile d'admettre que son génome possède presqu'autant de gènes que celui de l'homme.

 

23/11/2018
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