Perte de gènes et complexité

En perdant des gènes, la vie a souvent évolué vers une complexité accrue

Des études majeures récentes montrent que la réduction de la complexité génomique, y compris la perte de gènes clés, a réussi à façonner l’évolution de la vie à travers l’histoire. Les organismes perdent souvent des gènes apparemment importants au cours de l’évolution, mais ils survivent et prospèrent même en trouvant de nouvelles solutions à de vieux défis.

Au début des années 2000, Cañestro s'est fixé pour objectif d'étudier l'évolution des animaux dotés d'un cerveau et d'une colonne vertébrale. Il a choisi comme sujet de recherche un ascidie appelé Oikopleura . Comme toutes les ascidies, elle possède un cerveau et un cordon nerveux minuscules, mais contrairement aux autres, elle ne subit pas de métamorphose sur son chemin vers la maturité. Cañestro pensait qu'Oikopleura avait peut-être conservé des caractéristiques plus simples et plus ancestrales que les autres ascidies et pouvait servir de guide pour savoir de quoi elles étaient issues.

En fait, son équipe n’a pas réussi à trouver certains gènes. Le génome d’ Oikopleura ne contient pas de gènes qui auraient dû être présents, car ils sont très bien conservés chez les animaux. En particulier, aucun des gènes impliqués dans la synthèse, la modification ou la dégradation de l’acide rétinoïque n’était présent. Le récepteur de l’acide rétinoïque non plus. Pourtant, la signalisation de l’acide rétinoïque était considérée comme essentielle à la formation du cerveau, de la moelle nerveuse et d’autres éléments vitaux. De plus, Oikopleura ne possède pas non plus un gène qui semblait essentiel au déclenchement du développement du tissu cardiaque.

Dans votre esprit, une voiture a des roues, pourtant son équipe a trouvé une voiture qui n’a pas de roues ; c’est-à-dire une situation dans laquelle les choses que nous pensions essentielles n’existent pas, même si la structure qui les constituent est toujours là. Et cela nous fait reconsidérer le caractère essentiel de certains gènes.

Deux analyses surprenantes ont mis en évidence à quel point les gènes peuvent être insignifiants et avec quelle créativité l’évolution peut gérer leur perte. En analysant des centaines de génomes de tout le règne animal, des chercheurs ont montré qu’un degré surprenant de perte de gènes imprègne l’arbre de la vie.

Leurs résultats suggèrent que même les premiers animaux avaient des génomes relativement complexes en raison d'une poussée sans précédent de duplication génétique au début de l'histoire de la vie. Plus tard, à mesure que les lignées d'animaux ont évolué en différents phylums avec des plans corporels distincts, beaucoup de leurs gènes ont commencé à disparaître et la perte de gènes a continué à être un facteur majeur de l'évolution ultérieure. En fait, la perte de gènes semble avoir aidé de nombreux groupes d'organismes à se séparer de leurs ancêtres et à triompher de nouveaux défis environnementaux.

Jusqu'à récemment, les pertes de gènes au cours de l'évolution étaient difficiles à étudier car si vous ne voyez pas quelque chose, c'est peut-être parce que cette chose n'est pas là, mais il se peut aussi que vous ne puissiez pas la trouver. Les scientifiques pensaient que les pertes de gènes étaient plus fréquentes chez les espèces symbiotiques ou parasitaires, qui peuvent se simplifier la vie en externalisant une grande partie de leurs besoins fonctionnels à leurs partenaires ou hôtes.

Cependant, la disponibilité de génomes plus nombreux et de meilleure qualité a permis aux chercheurs d’examiner les schémas de perte de gènes dans l’ensemble du règne animal et a précisé que le phénomène ne se limite pas aux lignées et aux groupes d'animaux simplifiés ou parasitaires. Il y a eu des périodes dans l'évolution du règne animal où la perte de gènes ne s'est pas accompagnée de périodes de simplification morphologique.

La reconnaissance du rôle important de la perte de gènes dans l’évolution du règne animal ouvre de nouvelles perspectives pour la recherche. Lorsque les généticiens ont besoin de comprendre le rôle des gènes, ils peuvent créer des souris de laboratoire avec des mutations « knock-out » et voir si et comment les animaux font face à la perte. La découverte que la nature a en fait mené ses propres expériences de knock-out à grande échelle – pas seulement avec Oikopleura mais avec toutes sortes d’organismes complexes – devrait permettre de mieux comprendre comment l’évolution façonne le développement (et vice versa), l’objet d’une discipline connue sous le nom d’évo-dévo.

Utilisez-le ou perdez-le

Les pertes de gènes au cours de l'évolution peuvent sembler être des événements dommageables, car les gènes confèrent les caractéristiques qui rendent la vie et la santé possibles. Il est vrai que si un individu perd un gène véritablement essentiel, il peut mourir ou ne pas s'épanouir, et la sélection naturelle l'éliminera de la population. Mais en réalité, la majorité des pertes de gènes au cours de l'évolution sont probablement neutres, sans conséquences sur la condition physique de l'organisme.

La raison en est que les pertes génétiques évolutives surviennent souvent après qu'un changement dans l'environnement ou les comportements ont rendu un gène moins nécessaire. Si un nutriment ou une vitamine essentielle devient soudainement plus disponible, par exemple, les voies de biosynthèse nécessaires à sa production peuvent devenir superflues, et des mutations ou d'autres accidents génétiques peuvent faire disparaître ces voies. Des pertes peuvent également survenir après une duplication fortuite d'un gène, lorsque la copie superflue dégénère, car la sélection ne la préserve plus.

Les plantes offrent de nombreux exemples de cette stratégie « utilisez-la ou perdez-la », car de nombreuses espèces de plantes ont subi des duplications de génomes entiers suivies de vagues de perte de gènes. Parfois, les copies dupliquées persistent pendant plusieurs millions d'années avant d'être perdues, pour des raisons en cours d’étude.

En étudiant différentes formes de gènes chez les plantes Arabidopsis du monde entier, des chercheurs ont découvert qu'environ 66 % des gènes codant des protéines avaient des versions brisées, appelées variantes à perte de fonction. Étonnamment, 1 % de ces gènes moins fonctionnels étaient soumis à une sélection évolutive positive, c'est-à-dire que les plantes avec les gènes manquants ou brisés se sont mieux développées que celles avec des versions fonctionnelles. Ces résultats valident l'idée intrigante que parfois, la perte d’un gène peut être adaptative.

L’un des meilleurs exemples de perte génétique adaptative chez les animaux peut être observé chez les cétacés qui ont perdu 85 gènes codant pour des protéines observées chez d'autres mammifères. La plupart de ces pertes sont probablement neutres, mais certaines semblent liées à des adaptations liées à la plongée, comme le rétrécissement des vaisseaux sanguins pendant la plongée. L'un des gènes perdus, KLK8 est intéressant car il intervient dans le développement des glandes sudoripares de la peau et de l'hippocampe du cerveau ; les cétacés l'ont perdu lors de leur transition de la terre à l'eau. La perte de ce gène est liée au développement d'un épiderme plus épais et à la perte des poils (les poils ne sont pas adaptatifs dans les milieux aquatiques, où ils créent une traînée et ne préservent pas la chaleur corporelle comme ils le font chez les animaux terrestres).

Pertes prévisibles

Pour étudier dans quelle mesure la perte de gènes est répétable et prévisible, on a étudié les pertes de gènes convergentes dans les lignées de mammifères carnivores et herbivores. De nombreuses pertes de gènes concernaient des traits dont les animaux n'avaient plus besoin, mais au moins une perte était adaptative. Il existe une certaine protéine, appelée PNLIPRP1, qui inhibe une enzyme permettant de digérer les graisses dans l'alimentation. De nombreux groupes d'herbivores ont perdu indépendamment le gène qui code pour cette protéine, mais les carnivores l'ont conservé. Dans des expériences, lorsque ce gène est supprimé chez les souris (qui sont omnivores), les animaux deviennent obèses car ils tirent trop de calories de leur alimentation. Il est possible que, comme les herbivores ont besoin de tirer le meilleur parti possible de leur régime pauvre en graisses, ces animaux ont eu peu de raisons de s'accrocher à PNLIPRP1.

Des pertes convergentes se sont produites chez des levures vivant dans des écologies similaires. Un chercheur s'est intéressé aux Neolecta , un groupe obscur d'organismes qui ont toutes les caractéristiques des champignons multicellulaires, bien qu'ils soient regroupés avec les levures. Ils ont pu identifier des centaines de gènes ancestraux que Neolecta et d'autres champignons multicellulaires avaient conservés mais que deux levures unicellulaires, la levure bourgeonnante (Saccharomyces cerevisiae, bien connue des brasseurs et des boulangers) et la levure de fission (Schizosaccharomyces pombe, utilisée pour fabriquer de la bière de banane en Afrique centrale), avaient chacune séparément perdu.

Ces résultats suggèrent que les levures ont évolué indépendamment pour devenir unicellulaires à partir d’un ancêtre multicellulaire. Étant donné que de nombreux gènes perdus sont impliqués dans des réactions métaboliques oxygénées, les levures bourgeonnantes et fissionnées ont peut-être chacune réussi à éliminer les mêmes gènes pour prospérer dans des habitats pauvres en oxygène. Les changements génétiques convergents pourraient refléter des solutions optimales pour le mode de vie unicellulaire et « anaérobie facultatif » des levures. C’est intéressant car cela suggère que l’évolution pourrait être plus prévisible et déterministe que nous le pensions.

Mais en réalité, la majorité des pertes de gènes au cours de l’évolution sont susceptibles d’être neutres, sans conséquences sur la fitness de l’organisme…

Une analyse ultérieure, plus complète des génomes de levures a montré que la perte de gènes est omniprésente dans tout le phylum des levures. Ces résultats montrent que l’évolution réductrice est un mode majeur de diversification évolutive.

Bien sûr, le risque d’évoluer en abandonnant des gènes est que même si un gène est superflu dans certaines conditions environnementales, il pourrait être à nouveau nécessaire des millions d’années plus tard. Et alors ? Il s’avère que les levures, au moins, peuvent parfois récupérer des gènes perdus.

Un autre chercheur travaille avec une lignée de levures qui a perdu les enzymes nécessaires à la fermentation alcoolique. Cette capacité a été restaurée lorsque les levures ont acquis des versions bactériennes de ces gènes par transfert horizontal de gènes. En fait, les levures ont perdu une variété de gènes impliqués dans diverses voies métaboliques et les ont réacquis de plusieurs bactéries.

De nouvelles solutions à de vieux problèmes

Les levures ne sont pas les seules à posséder cette virtuosité métabolique. Les dauphins et les baleines, les chauves-souris frugivores de l’Ancien Monde et les éléphants – trois lignées dotées de cerveaux relativement volumineux – ont tous perdu un gène, HMGCS2, nécessaire à la cétogenèse, un processus métabolique que les scientifiques pensaient nécessaire pour soutenir l'activité et la croissance des grands cerveaux gourmands en énergie. Les cellules cérébrales consomment du glucose, mais lorsque celui-ci n'est pas disponible, elles s'alimentent avec des corps cétoniques provenant d'acides gras. HGMCS2, l'enzyme qui convertit les acides gras en corps cétoniques, devient particulièrement importante pendant le jeûne.

Les animaux dépourvus de cette enzyme sont souvent sensibles à la famine : les chauves-souris frugivores qui ont perdu ce gène peuvent mourir après avoir été privées de nourriture pendant seulement 24 heures. Pourtant, les cétacés et les éléphants peuvent jeûner beaucoup plus longtemps, et cela nous indique en quelque sorte qu’ils ont dû trouver d’autres moyens d’alimenter leur cerveau pendant les périodes de famine.

En fait, les données évolutives indiquent que la perte de HMGC S 2 s’est produite avant l’expansion évolutive indépendante de la taille du cerveau dans les lignées des éléphants et des cétacés. Dans l’évolution des mammifères, les grands cerveaux ont évolué au moins deux fois sans avoir de cétogenèse comme processus métabolique. Cela montre que le métabolisme énergétique est probablement plus flexible qu’on ne le pensait auparavant.

On ne sait toujours pas comment les éléphants et les cétacés parviennent à nourrir leur cerveau affamé sans cétogenèse, mais ils semblent avoir développé des moyens alternatifs pour relever le défi physiologique. On n’aurait pas su qu’il s’agissait d’une lignée exceptionnelle sans avoir observé que ce gène clé était perdu.

Ces exemples sont fascinants, et soulèvent la question de savoir comment ces nouvelles solutions, qui n’étaient probablement pas optimales à leur apparition, ont fini par remplacer la manière ancestrale d’alimenter le cerveau.

Parfois, la perte d’un gène peut être adaptative.

Les différentes solutions aux énigmes métaboliques ou développementales que l’évolution a apportées en soustrayant des gènes clés pourraient faire plus que révéler de nouvelles perspectives biologiques ; elles pourraient inspirer de nouvelles interventions biomédicales pour les maladies humaines.

Hiller a étudié ce qui arrive aux animaux dépourvus de gènes dont l'inefficacité est liée à des maladies chez l'homme. Dans certains cas intrigants, cette perte de gènes n'est pas connue pour provoquer des symptômes de maladie chez d'autres mammifères. Par exemple, lorsque le gène du facteur de transcription TBX22 est inopérant chez l'homme, il peut provoquer une fente palatine. Pourtant, les cobayes, les chiens et les taupes dorées ne possèdent pas ce gène. Étudier comment ils se développent sans provoquer de défauts du palais pourrait être une direction prometteuse pour la recherche biomédicale.

Cette approche renverse le modèle expérimental habituel : en général, les chercheurs étudient les mutations d’une maladie en les introduisant dans une souris ou un autre organisme modèle pour reproduire un état pathologique. Mais l’identification des gènes inactivés au cours de l’évolution pourrait révéler comment ne pas tomber malade malgré la perte des mêmes gènes. C’est une direction conceptuellement différente.

De manière plus générale, la généralisation de la perte de gènes dans l’arbre de la vie indique une inversion d’un thème classique de la biologie du développement évolutif. Dans les années 1970 et 1980, le grand choc a été de découvrir que les mouches et les humains utilisent les mêmes gènes. Remplacez le gène Pax6 de la mouche par la version humaine, et la mouche peut toujours fabriquer un œil. Aujourd’hui, nous constatons que parfois les structures sont les mêmes, mais que les gènes responsables de la fabrication de ces structures présentent de nombreuses différences. Comment est-il possible qu’il y ait autant de gènes différents et que les structures soient pourtant les mêmes ?

C’est tout le paradoxe de l’évolution-développement.