Pourquoi le chromosome Y dégénère-t-il ?

Publié par Adrien le 23/06/2020 à 09:00
Source: CNRS INEE
Chez de nombreuses espèces, les individus mâles possèdent un chromosome Y qui ne recombine plus avec le X et ne contient qu'un petit nombre de gènes. La principale théorie proposée depuis plus de 40 ans postule que cette dégénérescence est causée par l'inefficacité de la sélection naturelle (En biologie, la sélection naturelle est l'un des mécanismes qui guident l'évolution des espèces. Ce mécanisme est particulièrement important du fait qu'il explique l'adaptation des espèces aux milieux. La...) en absence de recombinaison. Une étude parue dans Current Biology propose une nouvelle théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur l’observation ou...) basée sur l'instabilité des régulateurs génétiques, montrant que la dégénérescence du Y et la compensation de l'expression des gènes du X peuvent découler d'un même processus. L'article est issu de la collaboration entre le Centre d'Ecologie Fonctionnelle (En mathématiques, le terme fonctionnelle se réfère à certaines fonctions. Initialement, le terme désignait les fonctions qui en prennent d'autres en argument. Aujourd'hui, le terme a été...) et Evolutive (Univ Montpellier/CNRS/Univ Paul Valéry Montpellier 3/EPHE/ IRD), l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel...) Radcliffe (Harvard University), l'unité de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne également le...) 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 sciences naturelles et de...) évolutive et écologie des algues (CNRS) et la Station Biologique de Roscoff (Roscoff est une commune du département du Finistère, en région Bretagne, en France. Elle est aujourd'hui une station balnéaire dynamique. Les habitants s'appellent les Roscovites.) (Sorbonne Université).


Chromosomes sexuels d'une souris M. musculus. © Janice Britton-Davidian, 2013

Chez de nombreuses espèces, le déterminisme du sexe (Le mot sexe désigne souvent l'appareil reproducteur, ou l’acte sexuel et la sexualité dans un sens plus global, mais se réfère aussi aux différences physiques...) est chromosomique: par exemple, chez l'homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo sapiens) ou plus simplement « Homme ». Par distinction, l'homme prépubère est appelé...), le mâle est XY et la femelle (En biologie, femelle (du latin « femella », petite femme, jeune femme) est le sexe de l'organisme qui produit des ovules, dans le cadre d'une reproduction anisogamique.) XX. Les chromosomes X et Y sont souvent très différents: le chromosome (Le chromosome (du grec khroma, couleur et soma, corps, élément) est l'élément porteur de l'information génétique. Les chromosomes contiennent les gènes et permettent leur distribution...) Y est généralement bien plus petit que le X (cf. photo) et contient très peu de gènes fonctionnels. De ce fait, cette situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un espace par rapport à son environnement proche ou non. Il...) s'accompagne souvent de mécanismes d'ajustement de l'expression des gènes du chromosome X pour compenser leur absence sur le Y (la compensation de dosage). Ainsi, chez les mammifères, un seul des deux chromosomes X des femelles est exprimé, permettant de conserver un taux d'expression des gènes similaire chez les mâles (qui ne possèdent qu'un X) et les femelles.

Depuis plus de 40 ans, on pense que la disparition des gènes du Y est due à un processus de "dégénérescence" correspondant à une accumulation de mutations délétères causée par l'inefficacité de la sélection naturelle en absence de recombinaison. En effet, le chromosome Y ne recombine pratiquement pas avec le X (sauf sur une petite portion, la région pseudo-autosomale). Or, on sait que l'absence de recombinaison peut conduire à une accumulation progressive de mutations délétères au cours des générations: c'est le phénomène du "cliquet de Muller" (du nom de H.J. Muller, généticien américain ayant décrit ce phénomène dans les années 1930).

Appliquée aux chromosomes sexuels, cette théorie se heurte cependant à plusieurs difficultés. En particulier, le cliquet de Muller est un processus relativement lent dans les populations de grande taille, et devient quasiment inopérant lorsque les régions non-recombinantes ne contiennent qu'un petit nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de gènes. Or, l'étude fine de nombreux chromosomes sexuels a révélé que l'arrêt de la recombinaison et la dégénérescence surviennent souvent de façon progressive, par portions du Y (des "strates") ne contenant parfois qu'assez peu de gènes. Enfin, cette théorie ne s'est jamais vraiment penchée sur l'évolution de la compensation de dosage (En chimie analytique, le dosage est l'action qui consiste à déterminer la quantité d'une substance précise (l'analyte) présente dans une autre ou dans un mélange (la matrice).), supposant qu'il s'agissait d'un processus indépendant ne survenant qu'après la dégénérescence.

Dans un article publié dans Current Biology, Lenormand et al. proposent une nouvelle théorie pour expliquer la dégénérescence des chromosomes Y. Pour cela, les auteurs modélisent explicitement l'évolution de l'expression des gènes présents sur les chromosomes sexuels. Après l'arrêt de la recombinaison, le taux d'expression des gènes présents sur le X et le Y est libre de diverger de façon aléatoire, tant que le niveau d'expression global est maintenu. Lorsqu'un gène (Un gène est une séquence d'acide désoxyribonucléique (ADN) qui spécifie la synthèse d'une chaîne de polypeptide ou d'un acide...) présent sur le Y devient peu exprimé, celui-ci aura tendance à accumuler des mutations, menant à sa dégénérescence. A l'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément...), lorsqu'un gène du X se retrouve moins exprimé que sa copie présente sur le Y, il ne peut pas accumuler de mutations car celles-ci conduiraient à la production de protéines non-fonctionnelles chez les femelles.

Ainsi, l'évolution des séquences régulatrices de l'expression des gènes suffit à expliquer la dégénérescence du Y ainsi que la compensation de dosage associée. Bien sûr, cette théorie n'exclut pas les processus liés au cliquet de Muller, mais elle propose un mécanisme supplémentaire pouvant conduire à la dégénérescence rapide de toute région non-recombinante du Y, si petite soit-elle. Cette théorie renouvelle donc en profondeur notre compréhension de l'évolution des régions non recombinantes des génomes eucaryotes.

Référence:
Thomas Lenormand, Frederic Fyon, Eric Sun (Sun Microsystems (NASDAQ : SUNW) est un constructeur d'ordinateurs et un éditeur de logiciels américain.), Denis Roze. 2020.
Sex chromosome degeneration by regulatory evolution.
Current Biology, in press.
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