Duplication (génétique) - Définition

Duplication génique chez les procaryotes

L´analyse des génomes procaryotes a révélé de nombreux gènes paralogues. Suivant les espèces bactériennes, la proportion de gènes paralogues varie de 7% du génome chez Rickettsia conorii à 41% chez Streptomyces coelicolor. Sur l´ensemble des 106 génomes bactériens séquencés en 2004, en moyenne 25% du génome bactérien est constitué de gènes paralogues. Il existe également une corrélation très forte entre la taille du génome bactérien et la proportion de gènes dupliqués.

Mécanismes

Il existe trois mécanismes de duplication génique chez les procaryotes:

• Au cours de la réplication de l´ADN suite à un mécanisme de recombinaison homologue favorisé par la présence de séquences répétées tel que les opérons des ARN ribosomaux, les transposons et les séquences d´insertion IS.
• Suite à une cassure double brin de l´ADN, un gène peut être dupliqué par réplication de type rolling circle.
• Un transfert de gène horizontal entre espèces bactériennes. Les deux copies homologues sont appelées xénologues.

Chez Escherichia coli K12, 16% des gènes homologues sont xénologues suggérant que le transfert horizontal de gène a un faible impact sur la proportion de gènes paralogues. En moyenne, 15% des gènes paralogues sont organisés en tandem suggérant des évènements de duplication génique en tandem qui peuvent résulter en la duplication d´opéron.

Chez les procaryotes, aucune duplication ancestrale complète du génome n´a été mise en évidence. Cependant, certaines bactéries sont polyploïdes au cours d´un stade de développement telles que Buchnera aphidicola dont le nombre de copies du génome varie en fonction du stade de développement de son hôte, le puceron vert du bois.

Rôle au cours de l´évolution

L´évolution du génome bactérien est profondément influencée par des échanges géniques entre différentes espèces bactériennes. En effet, l´évolution des voies métaboliques chez E.coli résulte principalement d´échanges géniques horizontaux.Cependant, la duplication génique semble également contribuer à l´évolution bactérienne. Les gènes préférentiellement dupliqués sont impliqués dans le métabolisme des acides aminés, des ions inorganiques et la régulation transcriptionnelle. Chez certaines espèces, l´expansion génique d´une catégorie de gènes a été proposée comme étant une adaptation évolutive. Par exemple, la complexité de la paroi bactérienne chez les mycobactéries peut être expliquée par une duplication spécifique à ce genre bactérien des gènes impliqués dans le métabolisme et le transport des lipides.

Amplification génique et résistance aux antibiotiques

Les bactéries peuvent s´adapter à la toxicité d´un antibiotique grâce à une grande batterie de mécanismes résultant soit de mutations ponctuelles ou bien d´un transfert horizontal de gènes. Les mécanismes principaux de résistance sont:

• La dégradation de l´antibiotique
• La séquestration de l´antibiotique
• La prévention de l´absorption de l´antibiotique
• L´expulsion de l´antibiotique hors de la bactérie
• Bloquer l´interaction entre l´antibiotique et la molécule cible

L´adaptation d´une bactérie à un antibiotique s´effectue en deux étapes:

• Acquisition de la résistance qui dans la plupart des cas résulte en une diminution de la valeur sélective (fitness) de la bactérie.
• Adaptation de la bactérie à la résistance par l´accumulation de mutations/modifications compensatoires qui dans de nombreux cas sont le résultat d´amplification génique soit du gène conférant la résistance ou bien d´un autre gène.

Les amplifications géniques sont instables et peuvent être perdues en absence de pression de sélection par recombinaison homologue. Ainsi, les gènes dupliqués peuvent être maintenus dans des souches bactériennes où la protéine Rec A est déficiente. Cependant, il existe des mécanismes de perte de gènes dupliqués indépendants de Rec A qui sont peu connus.

Amplification génique sur un plasmide

Au début des années 1970, la découverte des plasmides R porteurs de gènes de résistances aux antibiotiques a permis de mettre en évidence pour la première fois le rôle de la duplication génique dans le phénomène de résistance aux antibiotiques. Le plasmide NR1 augmente en taille chez Proteus mirabilis en présence de faible concentration de chloramphénicol, streptomycine et sulfonamide. La région amplifiée du plasmide est appelée déterminant-r (r pour résistance) et est flanquée par des séquences répétées directes IS1 (Insertion Sequence 1) qui permettent l´amplification de la région grâce aux homologies de séquence entre les séquences IS1 entrainant une recombinaison homologue entre chromatides soeurs. Dans de nombreuses bactéries, la résistance associée à l´amplification génique sur un plasmide est souvent associée à la présence de séquence IS. Cependant, il existe quelques cas où des régions homologues imparfaites peuvent permettre l´amplification de gènes de résistances tel que l´amplification du gène tetL sur le plasmide pAMα1 qui confère la résistance à la tétracycline chez Enterococcus faecalis.

Amplification génique sur le chromosome bactérien

L´amplification des gènes chromosomique est similaire à celle observée sur les plasmides bactériens. Par exemple, il a été observé une amplification de la β-lactamase chez Escherichia coli et Yersinia enterocolitica conférant une résistance aux β-lactamines par des mécanismes dépendants et indépendants de la protéine Rec A. Cependant, il existe des exemples particuliers où seulement quelques paires de base sont dupliquées. Chez Staphylococcus aureus et Yersinia enterocolitica, la duplication du site d´entrée du ribosome du gène de résistance aux macrolides appelé ermA (pour erythromycin resistance methylase A) entraine une stimulation de la traduction de ermA. Enfin chez la bactérie Streptococcus pneumoniae, la duplication de 18 paires de base dans le gène rplV qui code la protéine ribosomique L22 est responsable de la résistance aux macrolides. Cette duplication génère une duplication de 6 acides aminés à proximité du site d´interaction de la macrolide sur la sous-unité 23S du ribosome bloquant ainsi l´interaction de l´antibiotique avec le ribosome. La plupart des amplifications géniques conférant des résistances aux antibiotiques ont été induites dans les laboratoires de recherche. Au cours d´essai clinique, l´identification d´amplification génique est assez rare probablement due à l´instabilité des amplifications géniques. Lors d´un criblage de souches de Streptococcus agalactiae, deux souches résistantes aux sulfonamides et au trimethoprime ont été isolées avec une amplification contenant l´opéron folCEPBK impliqué dans la synthèse de la vitamine B9.