Introgression génomique entre espèces

Publié par Isabelle le 18/11/2020 à 13:00
Source: CNRS INSB

© Benjamin Barré
Comment des organismes sexuellement incompatibles peuvent-ils échanger du matériel génétique ? Ce mystère suscite l'intérêt de la communauté scientifique depuis de nombreuses années. Grâce à la découverte d'une souche de levure (Une levure est un champignon unicellulaire apte à provoquer la fermentation des matières organiques animales ou végétales. Les levures sont employées pour la...) à l'architecture (L’architecture peut se définir comme l’art de bâtir des édifices.) génétique (La génétique (du grec genno γεννώ = donner naissance) est la science qui étudie l'hérédité et les gènes.) ancestrale publié dans la revue Nature, les scientifiques ont pu mettre en évidence un nouveau mécanisme permettant l'échange de matériel génétique sans avoir recours à la reproduction (La Reproduction. Eléments pour une théorie du système d'enseignement est un ouvrage de sociologie co-écrit par Pierre Bourdieu et Jean-Claude Passeron paru...) sexuée.

Lorsque des groupes d'individus sont séparés les uns des autres, ils accumulent progressivement dans leur 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...) des mutations propres à chaque groupe, dues à des erreurs lors de la réplication de l'ADN. Plus tard, si ces individus issus de groupes distincts se rencontrent, ils peuvent néanmoins se reproduire sexuellement et donner naissance à un hybride (En génétique, l'hybride est le croisement de deux individus de deux variétés, sous-espèces (croisement intraspécifique), espèces (croisement interspécifique) ou genres...), constitué pour moitié de chaque ADN parental. Il arrive que ces hybrides se reproduisent avec des individus provenant d'un des deux groupes originels, engendrant ainsi des descendants dont le génome est enrichi seulement avec l'un des ADN parentaux. Après plusieurs générations de rétrocroisements de ce type, seuls de rares fragments d'ADN issus de l'autre parent originel persistent ; ces fragments sont appelés introgressions. Par exemple, 2% du génome humain d'origine non-africaine contient de l'ADN de Néandertal résultant de ce processus d'introgression. Les introgressions d'ADN peuvent aussi bien avoir des effets positifs que négatifs, et évoluer au cours du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.). Il a d'ailleurs récemment été constaté que certains gènes directement hérités de Néandertal augmentent significativement la sensibilité au COVID-19, menaçant la santé (La santé est un état de complet bien-être physique, mental et social, et ne consiste pas seulement en une absence de maladie ou d'infirmité.) humaine.

Mystérieusement, on observe souvent des introgressions chez des espèces génétiquement éloignées qui ne peuvent se reproduire sexuellement l'une avec l'autre. Ce phénomène est longtemps resté une énigme. La levure du boulanger (Le boulanger est spécialisé dans la fabrication du pain, de ses dérivés, de la viennoiserie.) Saccharomyces cerevisiae est reproductivement isolée de son espère soeur Saccharomyces paradoxus. Malgré le fait que ces deux espèces de levure peuvent s'accoupler et former des hybrides S. cerevisiae/S. paradoxus, leur forte divergence génétique (~12%) rend leur descendance majoritairement non-viable, limitant ainsi l'échange de matériel génétique. Cependant, des fragments d'ADN de S. paradoxus ont été retrouvés dans le génome de S. cerevisiae, selon un processus vraisemblablement similaire aux introgressions de Néandertal observées chez l'humain. Comment cela est-il possible alors que les hybrides sont stériles ?


Figure: Reconstruction des étapes manquantes de la voie la plus probable du processus d'hybridation-introgression.
© Gianni Liti

Les chercheurs ont isolé une souche hybride ancestrale de levure dont la structure 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...) (mis à part l'accumulation naturelle de mutations) n'a pas évolué depuis des centaines de milliers de générations, constituant un véritable fossile (Un fossile (dérivé du substantif du verbe latin fodere : fossile, littéralement « qui est fouillé ») est le reste (coquille, os, dent, graine, feuilles...)...) vivant. Curieusement, les chromosomes homologues de cette levure "fossile" sont parfaitement identiques ("homozygotes") en plusieurs endroits où l'ADN de S. paradoxus a complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou autocomplétion, est une fonctionnalité informatique permettant à l'utilisateur de limiter la quantité...) remplacé celui de S. cerevisiae.

De plus, les scientifiques ont démontré que cette levure fossile est l'ancêtre direct d'une autre souche moderne de S. cerevisiae dénommée Alpechin,trouvée dans les eaux usées de la production d'huile (L'huile est un terme générique désignant des matières grasses qui sont à l'état liquide à température ambiante...) d'olive et pourvue d'introgressions de S. paradoxus. Suite à ce constat, ils ont comparé les emplacements où l'ADN de S. paradoxus a complètement remplacé celui de S. cerevisiae chez la levure fossile, avec les zones d'introgressions chez Alpechin, et ont constaté qu'elles coïncidaient. En fait, les introgressions de S. paradoxus dans la levure Alpechin résultent directement des fragments maintenus dans la souche ancestrale. Des expériences plus approfondies ont permis d'éclaircir les faits: les blocs d'ADN de S. paradoxus conservés dans les chromosomes homologues de la levure fossile lui permettraient de recombiner plus efficacement son génome lors de la formation de gamètes pour la reproduction sexuée. Les descendants de la levure fossile auraient alors été rétro-croisés successivement avec S. cerevisiae donnant ainsi naissance à des descendants comportant de longs fragments d'introgression d'ADN de S. paradoxus. A terme, ce scénario aboutit à la formation de génomes très semblables à celui des levures Alpechin.

Cette découverte a ainsi permis d'expliquer comment des espèces reproductivement isolées peuvent échanger du matériel génétique: la formation de blocs d'ADN identiques sur les deux chromosomes homologues permet aux génomes hybrides de se recombiner. Comment ces blocs se forment-ils ? Cela reste encore à élucider.

Pour en savoir plus:

A yeast living ancestor reveals the origin of genomic introgressions.
D'Angiolo M, De Chiara M, Yue JX, Irizar A, Stenberg S, Persson K, Llored A, Barré B, Schacherer J, Marangoni R, Gilson E, Warringer J, Liti G.
Nature. 2020 Nov 11. doi: 10.1038/s41586-020-2889-1.

Laboratoire:

Institute for Research on Cancer (Le cancer est une maladie caractérisée par une prolifération cellulaire anormalement importante au sein d'un tissu normal de l'organisme, de telle manière que...) and Ageing of Nice (IRCAN) - (Université Côte d'Azur/CNRS, Inserm)
Tour Pasteur 8eme etage, Faculté de Médecine (La médecine (du latin medicus, « qui guérit ») est la science et la pratique (l'art) étudiant l'organisation du...).
28 Avenue (Une avenue est une grande voie urbaine. Elle est en principe plantée d'arbres, et conduit à un monument.) de Valombrose.
06107 NICE Cedex 2.
France.
www.ircan.org

Contact:

Gianni Liti - Chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de recherche sont...) 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).) à l' Institute for research on cancer and aging, Nice (IRCAN) - gianni.liti at unice.fr
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