Domestication, diversité et évolution à la lumière de 1011 génomes de levure

Publié par Adrien le 04/05/2018 à 00:00
Source: CNRS-INSB
Dans le cadre d'un projet du programme France Génomique, des chercheurs ont généré une carte génétique très détaillée chez la levure Saccharomyces cerevisiae. Le séquençage complet de 1011 isolats naturels ainsi que leur caractérisation phénotypique a permis d'avoir l'une des meilleures compréhensions de la diversité génétique (La diversité génétique est une caractéristique décrivant le niveau de variétés des gènes au sein d'une même espèce (voire sous-espèce). On parle de diversité...) et phénotypes chez un organisme modèle eucaryote. Cette étude a été publiée le 11 avril 2018 dans la revue Nature.


Figure: Colonies des isolats de S. cerevisiae qui ont été séquencés et décrits dans le manuscrit en croissance sur milieu solide. La photo a été recouvert d'une carte du monde, les 1011 isolats ayant été collectés à travers le monde et un des résultats présentés dans cette étude correspond à la mise en évidence de l'origine Asiatique de S. cerevisiae.
© Eric Rottinger

L'élucidation de l'origine de l'impressionnante diversité des caractères ou phénotypes dans une population naturelle est un enjeu majeur en biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une...). Une étape essentielle dans ce processus est d'explorer la diversité génétique (La génétique (du grec genno γεννώ = donner naissance) est la science qui étudie l'hérédité et les gènes.) entre individus appartenant à une même espèce (Dans les sciences du vivant, l’espèce (du latin species, « type » ou « apparence ») est le taxon de base de la systématique. L'espèce est...). Dans ce contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui l'entourent. Le...), une étude à large échelle a été conduite par les équipes de Joseph Schacherer (Université de Strasbourg / CNRS), Gianni Liti (Université Côte d'Azur, CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).), INSERM, IRCAN) et le Genoscope (CEA, CNRS, Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment où les...) d'Evry Val d'Esonne).

Pour cette étude, des isolats ont été collectés afin de représenter au maximum la diversité de cette espèce. Les critères de choix incluaient la localisation (l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui...) des continents), les activités humaines (l'élaboration de produits laitiers, de vin, de saké, de bière) et des niches écologiques sauvages (insectes, arbres ou fleurs). Les phénotypes de ces isolats ont également été étudiés, notamment leur capacité de croissance dans différentes conditions (conduisant à des réponses physiologiques et cellulaires variées) ce qui a permis d'avoir une vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) globale du paysage (Étymologiquement, le paysage est l'agencement des traits, des caractères, des formes d'un espace limité, d'un « pays ». Portion de l'espace terrestre saisi horizontalement par un observateur, il...) phénotypique de l'espèce.

L'ensemble des données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) a révélé des points clés de l'évolution des génomes et de leur impact sur la relation génotype-phénotype. L'analyse fine des variants génétiques a permis de reconstituer l'histoire de cette espèce. Cette étude apporte de nouvelles preuves de l'origine de S. cerevisiaeen Asie (L'Asie est un des cinq continents ou une partie des supercontinents Eurasie ou Afro-Eurasie de la Terre. Il est le plus grand continent (8,6 % de la surface totale terrestre ou...) de l'Est et suggère une dispersion (La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une onde dans un milieu dispersif, c'est-à-dire dans lequel les différentes fréquences constituant l'onde ne se propagent pas à la même...) commune et unique à partir de la Chine. Sous la main (La main est l’organe préhensile effecteur situé à l’extrémité de l’avant-bras et relié à ce dernier par le poignet. C'est un organe...) de l'homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo sapiens) ou plus simplement...), la levure (Une levure est un champignon unicellulaire apte à provoquer la fermentation des matières organiques animales ou végétales. Les levures sont employées pour la fabrication du vin, de la bière, des spiritueux, des...) a connu des évolutions génomiques et phénotypiques au cours de différents événements de domestication, notamment dans le cadre des processus de fermentation (La fermentation est une réaction biochimique de conversion de l'énergie chimique contenue dans une source de carbone (souvent du glucose) en une autre forme...) du vin, de la bière et du saké. Ces divers événements de domestication ont eu un impact différent sur l'évolution des génomes. Alors que les isolats provenant de vin et saké sont caractérisés par une faible diversité génétique, les isolats venant de bière présentent une diversité importante et une variabilité génomique (La génomique est une discipline de la biologie moderne. Elle étudie le fonctionnement d'un organisme, d'un organe, d'un cancer, etc. à l'échelle du...) beaucoup plus complexe. Plus globalement, les environnements anthropiques favorisent l'expansion et/ou la perte de gènes, conduisant à une variation du contenu des génomes plus importante. Par contre, les isolats sauvages partagent un génome (Le génome est l'ensemble du matériel génétique d'un individu ou d'une espèce codé dans son ADN (à l'exception de certains virus dont le génome est porté par des molécules d'ARN). Il contient en...) au contenu très similaire et la diversité génétique est majoritairement générée par l'accumulation de mutations.

Cette étude a conduit à une vue d'ensemble de l'importance respective des variations génomiques, comme la ploïdie (nombre de lots chromosomiques), les aneuploïdies (anomalie de cette ploidie) et les introgressions (transferts d'un fragment de génome), qui façonnent l'évolution des génomes et par conséquent le paysage phénotypique d'une espèce. Par exemple, introgressions ou transferts horizontaux sont principalement détectés dans des isolats présents dans des environnements fermentaires. Les chercheurs ont ainsi pu définir le génome de base, aussi appelé 'core-genome', (4940 gènes présents dans tous les isolats) ainsi que le génome accessoire (2908 gènes présents uniquement dans une fraction de la population).

Au sein des 1011 génomes, la majorité des variants génétiques sont à faible fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de...) dans la population, ce qui donne un nouvel éclairage sur la relation génotype-phénotype dans une population naturelle (une tendance similaire est observée chez l'Homme). Cela conduit à s'interroger sur l'importance des mutations rares sur la variation phénotypique observée dans toute espèce. Enfin, on peut noter l'importance de la variation des copies de gènes sur la diversité phénotypique qui explique la plus grande partie de la variance ( En statistique et en probabilité, variance En thermodynamique, variance ) phénotype et semble avoir un effet plus important que les mutations ponctuelles.
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