Les génomes incompatibles ne font pas bon ménage !

Publié par Isabelle le 08/07/2015 à 12:00
Source: CNRS
Dans toute espèce, il arrive que la descendance de certains individus soit stérile ou peu viable. L'origine peut tout simplement en être génétique et due à une incompatibilité des génomes des individus concernés. Des chercheurs du Laboratoire de génétique (La génétique (du grec genno γεννώ = donner naissance) est la science qui étudie l'hérédité et les gènes.) moléculaire, 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 génome, et non plus...) et microbiologie (La microbiologie est une sous-discipline de la biologie basée sur l'étude des micro-organismes.) ont disséqué les origines génétiques sous-jacentes à de telles incompatibilités en utilisant 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...) de boulanger (Le boulanger est spécialisé dans la fabrication du pain, de ses dérivés, de la viennoiserie.), Saccharomyces cerevisiae, comme organisme modèle. Ils mettent en évidence la multiplicité des mécanismes impliqués dans une étude publiée dans la revue Nature Communications.


Figure: Modèle d'incompatibilité de Dobzhansky-Müller. Une population ancestrale portant deux gènes de génotype AABB peut se séparer en deux populations distinctes dans lesquelles vont apparaître et se fixer de manière indépendante des mutations engendrant de nouveaux allèles "a" et "b" des deux gènes. Lors du croisement d'individus de ces populations, les allèles "a" et "b" peuvent présenter une interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact...) délétère qui se traduira par la diminution de la viabilité de l'hybride (En génétique, l'hybride est le croisement de deux individus de deux variétés, sous-espèces (croisement intraspécifique), espèces...). © Julien Espeut

Comment apparaissent de nouvelles espèces ? Quels sont les facteurs génétiques et moléculaires à l'origine de ce phénomène appelé spéciation ? Ce sont des questions fondamentales de la biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie des...) auxquelles l'étude de l'isolement reproductif et de ses origines au sein de populations naturelles peut apporter les premiers éléments de réponse. Des avancées récentes permettent désormais d'utiliser des outils puissants couplant la génétique classique à la génomique, et notamment le séquençage (En biochimie, le séquençage consiste à déterminer l'ordre linéaire des composants d'une macromolécule (les acides aminés d'une...) à haut-débit, pour cartographier précisément les régions des génomes qui sont impliquées. En conséquence, il est possible d'avoir une idée plus précise quant aux incompatibilités que peuvent présenter différents individus appartenant à la même espèce (Dans les sciences du vivant, l’espèce (du latin species, « type » ou « apparence ») est le taxon de base...).

Pour de telles études, la levure, et plus particulièrement Saccharomyces cerevisiae, est un modèle intéressant car il est possible de croiser facilement entre eux des individus d'origines géographiques (Europe, Amérique (L’Amérique est un continent séparé, à l'ouest, de l'Asie et l'Océanie par le détroit de Béring et l'océan Pacifique; et à l'est, de...), Asie) et écologiques (vigne, bière, exsudat d'arbre) différentes pour générer des centaines de descendants dont le pourcentage (Un pourcentage est une façon d'exprimer une proportion ou une fraction dans un ensemble. Une expression comme « 45 % » (lue...) de viabilité peut être établi avec précision. Lorsque l'on croise deux individus de l'espèce S. cerevisiae, la viabilité de la descendance est en général élevée, supérieure à 90 %. Cependant, il arrive qu'en croisant certains individus, la descendance soit peu, voire non viable. En effet, ces souches provenant d'origines différentes évoluent séparément et peuvent à terme présenter des incompatibilités.

Afin de les identifier, les chercheurs ont réalisé plus d'une centaine de croisements entre différents isolats et mis en évidence des parents "incompatibles" c'est-à-dire conduisant à une faible viabilité de la descendance. Dans une première étude (1), ils avaient pu montrer que les translocations chromosomiques différenciant les génomes parentaux pouvaient conduire à des descendants non viables car une partie du 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...) était manquante. L'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) de ces événements avaient été identifiés dans des conditions optimum de croissance, c'est-à-dire en milieu riche.

Cependant, la levure S. cerevisiae se développe dans des conditions environnementales variées et par conséquent certains isolements reproductifs pouvaient être spécifiques d'un milieu donné. Dans cette nouvelle étude, les chercheurs ont testé cette hypothèse en estimant la viabilité de la descendance de multiples croisements sur divers milieux, en présence de différentes sources de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) ou de composés induisant un stress (Le stress (« contrainte » en anglais), ou syndrome général d'adaptation, est l'ensemble des réponses d'un organisme soumis à des contraintes...) (NaCl, SDS, etc). 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 concept de contexte issu traditionnellement de l'analyse...), des cas d'isolements reproductifs ont été mis en évidence. Plus de 24 % des cas étudiés ont présenté une diminution de la viabilité de la descendance allant de 1 % à 62 %. Pour avoir une idée quant à l'origine génétique de ce phénomène, les chercheurs se sont focalisés sur un cas où la viabilité de la descendance entre deux souches, l'une clinique isolée à partir d'un patient (Dans le domaine de la médecine, le terme patient désigne couramment une personne recevant une attention médicale ou à qui est prodigué un soin.) immunodéprimé et l'autre de laboratoire, était fortement diminuée. En utilisant une stratégie (La stratégie - du grec stratos qui signifie « armée » et ageîn qui signifie « conduire » - est :) de séquençage à haut-débit de la descendance, ils ont mis en évidence que deux régions du génome de ces souches étaient incompatibles, démontrant ainsi que la létalité des descendants était due à la présence simultanée de ces deux régions particulières issues des deux individus parentaux.

Ce résultat constitue le premier exemple chez la levure de ce qui a été développé de manière théorique dans le modèle de Dobzhansky-Müller décrit de longue date (1937). La présence de telles incompatibilités chez la levure restait une source de débat (Un débat est une discussion (constructive) sur un sujet, précis ou de fond, annoncé à l'avance, à laquelle prennent part des individus ayant des...) car aucun exemple n'avait été mis à jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit...) jusqu'à présent. De plus, cette étude montre très clairement la multiplicité des mécanismes impliqués dans l'isolement reproductif entre isolats appartenant à une même espèce.

Référence:
(1). Hou J, Friedrich A, de Montigny J, Schacherer J. Chromosomal rearrangements as a major mechanism in the onset of reproductive isolation in Saccharomyces cerevisiae. Current Biology. 2014. 24:1153-9.
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