Des fragments d'ADN se déplacent sur les chromosomes et multiplient les mutations » maladies des plantes , agriculture et écologie

 Des fragments d'ADN se déplacent sur les chromosomes et multiplient les mutations

18/10/2010

Des fragments d'ADN se déplacent sur les chromosomes et multiplient les mutations

Les gènes sauteurs : patrimoine sous influence

Certaines portions de l'ADN se déplacent et se multiplient dans le génome sans raison apparente, en créant des mutations beaucoup plus nombreuses que les mutations spontanées. La découverte de ces gènes « sauteurs », au début des années 1950, devait ébranler notre conception d'un génome fondamentalement stable. Formidable machine à créer de la variabilité génétique, cette nouvelle classe d'ADN dote les organismes d'une étonnante capacité d'adaptation. Les propriétés des gènes sauteurs ont rapidement été exploitées par la biologie moléculaire, et les recherches récentes, en révélant leur parenté avec les rétrovirus et les régions non codantes des gènes, conduisent à s'interroger sur leur rôle dans l'histoire de l'évolution et l'apparition de certaines maladies.

Depuis les lois de Mendel sur la transmission des caractères (1865) puis la découverte du rôle des chromosomes dans cette transmission (1910), le patrimoine génétique apparaissait d'une remarquable stabilité en dépit de l'apparition sporadique de remaniements chromosomiques. Le travail de l'Américaine Barbara McClintock sur le maïs en 1951 devait ébranler définitivement cette conception statique du génome.

Le mérite de cette chercheuse a été d'interpréter de façon tout à fait inédite des mutations instables du maïs en les associant au déplacement spontané de fragments d'ADN dans le génome (fig. 1). Ces éléments génétiques mobiles, ou éléments transposables, sautent d'un endroit du génome à un autre en s'insérant dans des gènes, dont ils peuvent modifier le fonctionnement.  Accueillis avec scepticisme par les généticiens, les éléments transposables n'ont acquis droit de cité que dans les années 1970 lorsqu'on les retrouva chez les bactéries puis chez la mouche drosophile. La découverte ne fut récompensée par le prix Nobel qu'en 1983(1)(I).

On a trouvé depuis des éléments mobiles dans le génome de tous les organismes où ils ont été recherchés, y compris chez l'homme, et en grand nombre. Chez la drosophile par exemple, les quelque 3 000 à 5 000 séquences mobiles représentent 10 à 15 % de l'ADN. On tend aujourd'hui à rendre les éléments transposables responsables d'un nombre toujours plus grand de mutations et l'on s'interroge sur leur rôle dans l'évolution du monde vivant. Ils seraient à l'origine de modifications imprévues du génome de bactéries ou d'animaux de laboratoire, et de certains phénomènes d'adaptation rapide à des modifications du milieu comme la résistance aux antibiotiques. Les éléments transposables sont aussi soupçonnés de jouer un rôle dans l'apparition de maladies : l'hémophilie, la dystrophie de Duchenne et certains cancers.

Il existe de nombreux éléments transposables différents. On les regroupe en deux grandes classes, les transposons et les rétrotransposons, selon leur système de déplacement (fig. 2). Les transposons déménagent (on dit qu'ils transposent) directement sous forme d'ADN grâce à la transposase, une enzyme qu'ils codent eux-mêmes à cet effet. Ils possèdent, à chacune de leurs extrémités, un enchaînement identique d'une trentaine de nucléotides (les éléments de base de l'ADN), mais en ordre inversé, formant deux séquences en miroir. Ces dernières ont été mises à profit par les généticiens pour insérer un gène étranger dans le génome d'une cellule. Il suffit d'enlever une grande partie des séquences internes d'un élément transposable et de les remplacer par la séquence du gène désiré. Cette technique est couramment employée aujourd'hui pour obtenir des organismes génétiquement modifiés.

Les transposons les plus connus sont l'élément Ac du maïs et le facteur P de la drosophile(II). Les mécanismes de leur mobilité ne sont pas encore connus en détail. Selon le groupe de William R. Engels de l'université du Wisconsin, aux Etats-Unis, l'élément P serait d'abord excisé puis réinséré ailleurs dans le génome(2). Le trou laissé dans l'ADN est comblé par synthèse d'une copie de la séquence soeur qui se trouve sur le chromosome homologue*. Si le modèle contient lui-même un transposon, un nouvel exemplaire de ce dernier sera créé. De nombreuses inconnues subsistent toutefois car ce procédé n'est pas suffisant pour expliquer la multiplication, parfois importante, observée pour certains transposons.

Les rétrotransposons, eux, ne se déplacent pas directement sous forme d'ADN. Comme n'importe quel gène classique, ils sont d'abord copiés (on dit « transcrits ») en une molécule d'ARN. Puis intervient une enzyme codée par le rétrotransposon, la transcriptase inverse, celle-là même qui permet aux rétrovirus, comme celui du sida, de s'intégrer dans les chromosomes des cellules. Elle fabrique, à partir de l'ARN, un nouveau fragment d'ADN identique à l'original. Ce fragment libre d'ADN peut alors s'introduire ailleurs dans le génome. Les rétrotransposons possèdent, à cha-que extrémité, deux longues séquences identiques de deux cents à quatre cents nucléotides, cette fois de même orientation. Ces séquences - les LTR pour long terminal repeat - sont elles-mêmes encadrées par des séquences plus courtes en miroir. Bien que la transposition se fasse habituellement par copie, les rétrotransposons peuvent être également excisés, mais le phénomène est encore très mal connu.

La parenté des rétrotransposons avec les rétrovirus, étudiée notamment par le groupe de Harold E. Varmus à l'université de Californie à San Francisco, a suscité la curiosité des biologistes(3). Le génome des rétrovirus est fait d'ARN, et la transcriptase inverse, tout comme pour les rétrotransposons, fabrique, à partir de ce modèle, une copie ADN qui ira se loger dans les chromosomes de la cellule hôte. Une différence notable est que les rétrovirus possèdent de surcroît une env eloppe protéique (codée par le gène env) qui permet au virus de sortir de la cellule. Sans cette enveloppe, les rétrovirus ne conserveraient que leur capacité à se déplacer sur les chromosomes, à l'instar des éléments transposables. Une hypothèse est que les rétrovirus ont pu dériver des rétrotransposons par le gain d'un gène env au cours de l'évolution. A l'inverse, on peut penser que la perte de ce gène chez un rétrovirus, ou son inactivation suite à une mutation, donne un rétrotransposon. Dans la pratique, il n'est pas toujours facile de déterminer si l'on a affaire à un rétrovirus ou à un rétrotransposon. A preuve, l'équipe d'Alain Bucheton du CNRS à Gif-sur-Yvette, a montré récemment que le rétrotransposon gypsy , bien connu des généticiens travaillant sur les insectes, est un authentique rétrovirus, doté d'un pouvoir infectieux(4).

Autre similarité troublante avec les rétrovirus, les rétrotransposons peuvent activer des oncogènes* en s'insérant dans leurs séquences adjacentes. On a ainsi trouvé en 1991 des séquences similaires au rétrotransposon L INE , fréquent dans le génome des mammifères, à l'intérieur de l'oncogène c-myc dans un cancer du sein, ainsi que dans le gène responsable de l'hémophilie humaine(5).

Les éléments transposables pourraient aussi ne pas être étrangers à l'apparition de régions non codantes au sein des gènes. Rappelons que seule une partie d'un gène, les exons, code la protéine correspondant à ce gène. Les introns, régions non codantes qui s'intercalent entre les exons, sont éliminés lors de la copie ARN du gène (c'est le phénomène d'épissage de l'ARN prémessager). Cette opération nécessite l'intervention de particules spécialisées, mais certains introns, comme ceux des gènes des mitochondries* de la levure de boulanger, peuvent s'exciser eux-mêmes. Or ces introns possèdent des portions d'ADN identiques à celle qui code la transcriptase inverse des rétrotransposons(6). D'où l'idée que ceux-ci pourraient être les ancêtres des introns...

Autre hypothèse récente, émise par Mary Lou Pardue du Massachusetts Institute of Technology : les éléments transposables joueraient un rôle dans le maintien de la structure et de la stabilité des chromosomes(7). Ils pourraient aussi intervenir dans la séparation des chromosomes lors des divisions cellulaires. On sait que, chez la drosophile, des éléments mobiles spécifiques ( Het et Tart ) ont un rôle de protection des extrémités des chromosomes, les télomères.

L'idée que les éléments transposables ont joué un rôle dans l'évolution est souvent réfutée car elle suppose que des copies soient présentes au même endroit chez tous les individus d'une même espèce, là où les gènes mutés sont localisés, ce qui n'est généralement pas le cas. On sait cependant aujourd'hui que les éléments transposables s'excisent souvent en laissant une marque de quelques nucléotides - voire de quelques centaines de nucléotides - qui maintient la mutation. Or on retrouve certaines de ces traces chez tous les individus d'une espèce. Les techniques de séquençage de l'ADN ont permis de montrer que certains éléments régulateurs de l'activité de gènes sont nés de LTR abandonnées lors de l'excision de rétrotransposons. Des recombinaisons entre copies d'un même élément transposable peuvent également être responsables de duplication de gènes, comme c'est le cas par exemple du deuxième exemplaire du gène codant une hémoglobine foetale chez l'homme (la g-globine)(8).

Le nombre d'éléments transposables, qu'il s'agisse des transposons ou des rétrotransposons, peut augmenter sensiblement d'une génération à une autre. Leur taux de déplacement* est de l'ordre de 10-4 à 10-5 par élément par génération selon les espèces, ce qui est nettement supérieur au taux de mutations*, dites spontanées, associées à des changements de nucléotides (10-9 à 10-10) (voir l'encadré « Comment stimuler les éléments transposables »). Existe-t-il des mécanismes permettant d'en limiter l'occurrence ? On dispose d'éléments de réponse chez la drosophile. Cette mouche possède des chromosomes polytènes (l'ADN a subi plusieurs cycles de réplication et les brins obtenus sont restés accolés). Leur grande taille et leur structure caractéristique en bandes et interbandes permettent de localiser avec précision les insertions d'éléments transposables. On utilise une petite sonde d'ADN, marquée radioactivement ou chimiquement, correspondant au négatif de l'élément transposable à repérer. En se fixant sur l'élément, la sonde permet de le localiser visuellement (hybridation in situ ) (fig. 3).

On a pu ainsi dénombrer chez la drosophile 30 à 50 familles d'éléments transposables répartis de façon globalement aléatoire le long des chromosomes, avec cependant, par endroits, des regroupements que Vladimir A. Gvozdev, de l'institut Kurchatov de Moscou, appelle des « nids » et dont on ne connaît pas actuellement le rôle. On s'est aperçu que le nombre de copies dans le génome de la drosophile varie de un à plus de cent, selon les populations et les familles d'éléments. Le nombre de copies est par exem-ple de 1 à 2 en moyenne pour le rétrotransposon gypsy , et de 25 à 30 pour le rétrotransposon copia . En revanche chez la souris et l'homme on peut trouver de 100 000 à 300 000 copies de certains éléments.

Si le nombre de copies varie selon les familles, les mécanismes qui contrôlent leur prolifération doivent aussi être différents. Un premier procédé a été mis en évidence chez le maïs et fait intervenir la méthylation, processus connu pour entraîner l'inactivation de gènes. Il semble que les éléments mobiles soient associés à une faible méthylation tandis que les éléments immobiles sont fortement méthylés.

Ce mécanisme ne peut cependant pas être invoqué chez la drosophile pour laquelle le taux de méthylation est insignifiant. Chez cette espèce, certains éléments transposables sont, en revanche, capables d'autolimiter leurs déplacements : ils produisent une protéine qui s'oppose, par des processus encore mal connus, à l'effet de la transposase. Il se peut également, comme pour la levure, que le déplacement dépende du nombre de copies déjà existantes, de façon à atteindre un équilibre. Certains modèles théoriques fournissent des explications évolutionnistes au niveau de la population, en faisant intervenir la sélection naturelle (voir l'encadré « La géographie de l'ADN mobile »). Deux modèles mathématiques ont été proposés dans les années 1980 par des chercheurs américains(9). L'un des modèles stipule que les insertions d'éléments transposables sont défavorables à l'individu qui les portent et sont donc éliminées au fil des générations, limitant d'autant leur nombre. L'autre modèle s'appuie sur le fait que la présence de nombreuses copies identiques favorise les échanges de matériel génétique entre chromosomes (recombinaisons)(10).

Ces remaniements peuvent entraîner des cassures de chromosomes ou des difficultés lors de leur séparation au cours de la division cellulaire (fig. 4). Ils sont alors défavorables à la cellule et sont éliminés par la sélection naturelle. Quelques observations vont apparemment dans le sens de cette hypothèse puisque, chez la drosophile, les éléments transposables s'accumulent dans certaines régions des chromosomes (les centromères) où les taux de recombinaison sont les plus faibles. Ce modèle, bien que fort attrayant, est cependant insuffisant pour expliquer l'ensemble des comportements des éléments transposables(11). Comment par exemple expliquer la forte accumulation de copies du rétrotransposon mys chez un petit rongeur d'Amérique du Nord, dans des régions de chromosomes à forte fréquence de recombinaison ? A l'inverse, comment comprendre l'absence de copies dans des régions où l'on n'observe pas de recombinaison(12) ? Certains chercheurs vont jusqu'à soutenir que leur accumulation dans certaines zones stratégiques du génome favoriserait la reconnaissance et la séparation des chromosomes homologues pendant la méïose (ségrégation)(13). On s'accorde cependant aujourd'hui à considérer que le nombre de copies résulte d'un équili-bre entre la transposition - qui tend à accroître ce nombre - et la sélection - qui tend à le diminuer.

Quel que soit le mode de régulation invoqué, les variations du nombre d'éléments transposables peuvent être brutales. Ils se déplacent parfois en masse sans cause apparente, comme l'a remarqué, en 1984, l'équipe de Tatiana Gerasimova, à Moscou, sur une lignée de drosophiles(14). Tous les éléments transposables ne se déplacent cependant pas en même temps. Par exemple, les profils d'insertion des éléments copia et P de lignées de drosophiles ont fortement changé en une génération alors que d'autres éléments restaient stables(15,16). De telles explosions de mouvements arrivent probablement régulièrement dans les populations naturelles, à une fréquence faible mais non négligeable, comme nous l'avons récemment suggéré pour l'élément mdg3 en collaboration avec le groupe de Françoise Lemeunier, du CNRS de Gif-sur-Yvette(17). Nous n'en connaissons pas les mécanismes responsables, mais les modifications pourraient apparaître au cours de la formation des cellules sexuelles.

Les transpositions en masse pourraient jouer un rôle dans le maintien de la variabilité génétique des lignées consanguines (qui tendent à devenir homogènes génétiquement) ainsi que chez les populations naturelles qui auraient subi une diminution de leur variabilité génétique suite à une réduction drastique de leurs effectifs. Les mouvements des éléments transposables entraînant des mutations (par insertions dans un gène, excisions, remaniements des chromosomes) sont à l'origine de l'apparition de variants qui n'existaient pas initialement dans la population. Ainsi, malgré les nombreuses mutations défavorables, les éléments transposables offrent, à long terme, la possibilité de s'adapter à de nouvelles conditions de l'environnement. L'apparition de résistance aux antibiotiques chez les bactéries en est un exemple bien connu.

A l'heure actuelle, les recherches menées chez les mammifères n'ont pas mis en évidence de phénomène de mouvements soudains et significatifs d'éléments transposables. Il serait intéressant de savoir si, dans notre espèce, les rétrovirus intégrés dans le génome sont susceptibles de subir de telles explosions de transposition, provoquant l'apparition de nouvelles mutations. Si oui, la connaissance des conditions capables de provoquer ou d'éviter une telle invasion génomique permettrait peut-être de comprendre l'apparition de certaines maladies provoquées par l'insertion d'une séquence rétrovirale au niveau d'un gène cellulaire.

D'ici là, les éléments transposables trouveront leur place dans la panoplie de la biologie moléculaire. Ils sont déjà utilisés pour transférer des gènes entre organismes différents et provoquer des mutations dans des régions du génome où n'agissent pas les techniques classiques (rayons X, produits chimiques, etc.). L'équipe de Trudy F.C. Mackay, en Caroline du Nord, propose de les utiliser pour étudier les gènes qui, chez l'animal, contrôlent des caractères ayant un intérêt économique. La plupart de ces caractères sont difficiles à identifier génétiquement car ils dépendent de l'action multiple de divers gènes dont l'expression est modulée par l'environnement. Les éléments transposables, en s'insérant dans des gènes dont ils altèrent le fonctionnement, permettraient de les repérer. Ces chercheurs, qui travaillent depuis dix ans sur le sujet, ont réussi à obtenir une augmentation de la variabilité d'un caractère en soi peu intéressant (le nombre de soies chez la drosophile) en effectuant des croisements appropriés(18). La grande variabilité ainsi obtenue fournit un choix plus large pour opérer des sélections. Des expériences similaires ont été réalisées à l'université d'Edimbourg, en Grande-Bretagne, sur des lignées consanguines de souris sélectionnées pour le poids, mais en utilisant des insertions de rétrovirus(19).

Les recherches sur le rôle des éléments transposables représentent un exemple remarquable d'un domaine scientifique en plein essor associant les aspects moléculaires, génétiques et écologiques. Ces travaux donnent l'occasion de rappeler que seule une approche intégrée est à même de résoudre les problèmes complexes posés par la variabilité génétique et les mécanismes de l'évolution.

Christian Biémont et John F. Brookfield

Comment stimuler les éléments transposables

Il est possible d'accroître en laboratoire le taux de déplacement des éléments transposables en croisant des souches particulières de drosophiles(II) ou de nématodes Caenorhabditis elegans , ou encore en soumettant les organismes à des conditions d'environnement particulières (température, teneur en oxygène, produits chimiques...). Une température basse multiplie par 100 le taux de transposition du rétrotransposon Ty1 de la levure, et un traitement aux rayons ultraviolets multiplie par 20 à 40 le nombre de copies de l'élément Mu du maïs. L'influence de l'environnement et de stress génomiques (chromosome surnuméraire, invasion virale) sur la transposition est nette chez la levure et les plantes. Elle est moins évidente chez la drosophile. Une augmentation de taux de transcription (taux de production de l'ARN à partir de l'ADN) a cependant été enregistrée à la suite d'une action de la chaleur ou de certains produits chimiques(20).

La géographie de l'adn mobile

Comment le nombre de copies d'éléments transposables présents dans un génome est-il régulé ? Il est possible de comparer des espèces proches qui diffèrent par la taille de la population, la niche écologique, le taux de migration, etc., de manière à évaluer l'impact des forces sélectives en jeu dans les populations naturelles. Par exemple, Drosophila melanogaster et Drosophila simulans sont génétiquement très proches. Or D . simulans possède nettement moins d'éléments transposables que D. melanogaster.

Nous avons récemment observé que, chez D. simulans , la plupart des familles d'éléments ont très peu de copies et que ces dernières sont parfois localisées en des sites fixes sur les chromosomes. Chez D. melanogaster , au contraire, les copies sont réparties tout au long des chromosomes et leur nombre est élevé. En revanche, pour le rétrotransposon 412, le nombre de copies chez D. simulans est élevé mais deux fois plus faible que le nombre observé chez D. melanogaster . Cette divergence suggère une plus grande résistance, chez D. simulans , aux insertions d'éléments transposables. Mais les mécanismes de cette résistance restent à découvrir. La différence de comportement entre divers éléments transposables chez D. simulans et l'invasion récente du Globe par cette espèce la désignent comme l'espèce modèle idéale pour l'analyse de la biologie des populations d'éléments transposables.

Une étude récente, effectuée dans notre groupe par Cristina Vieira(21) sur 71 populations naturelles de D. simulans d'origines géographiques variées, montre que le nombre de copies du rétrotransposon 412 s'élève régulièrement de l'hémisphère sud à l'hémisphère nord, les populations les plus au sud possédant 1 à 4 copies, celles les plus au nord jusqu'à 25 copies (voir la figure). Ce gradient est cependant complètement perturbé dans les régions des océans Indien et Pacifique, le nombre de copies variant de 5 à 75 en Australie. Il existe ainsi des envahissements géno-miques de certaines populations locales et une diffusion de l'élément transposable étudié dans les populations. C'est la première fois qu'un élément de type rétroviral est ainsi pisté dans les populations naturelles. Ces résultats devraient conduire à une meilleure connaissance de l'épidémiologie des éléments transposables et des rétrovirus.

Source : http://www.larecherche.fr

 

Tags : genes genome
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