Dupliquer son génome ?

La comparaison entre des génomes entièrement séquencés de différentes espèces permet d'avoir beaucoup d'informations sur les modifications de séquences liées à l'évolution. En particulier, la comparaison des génomes entiers nous donne des informations sur la dynamique de l'évolution à l'échelle des chromosomes. La figure ci-contre montre une comparaison bioinformatique entre les séquences de deux espèces de levures, la bien connue levure de boulanger (S. Cerevisiae) et Kluyveromyces waltii. Cette comparaison révèle une propriété tout à fait étonnante : à chaque région chromosomique de K. Waltii correspondent deux régions chromosomiques de S. cerevisiae. Cette propriété est par ailleurs vérifiée pour tous les chromosomes de K. Waltii. Un seul scénario peut expliquer cette correspondance : quelque part dans la lignée de S. cerevisiae, peu après sa divergence avec K. Waltii, un véritable cataclysme chromosomique s'est produit et les chromosomes d'un ancêtre de S. cerevisiae se sont en fait tous dupliqués, formant une levure avec un génome deux fois plus grand qu'un génome de levure "standard" ! Du coup, tous les gènes de cette levure ancestrale se sont retrouvés en double. Beaucoup d'entre eux ont ensuite disparu car ils étaient redondants (ce qui a permis de retrouver ensuite une taille de génome "normale"); d'autres sont restés en "double" et ont pu se spécialiser; les comparaisons entre ces gènes redondants, les gènes environnants (dont l'ordre dans la séquence a peu changé au cours de l'évolution) entre les deux espèces permettent de mettre en évidence sans ambiguité ce phénomène de duplication du génome entier ("whole genome duplication" en anglais, ou WGD). Evidemment, il n'est pas très difficile de comprendre comment une telle duplication du génome peut "booster" l'évolution d'une lignée, en permettant d'évoluer des pans entiers du génome tout en gardant sous la main une copie des gènes essentiels (non mutés) : il y a là une potentialité d'évolution quasiment gratuite !

Très bien me direz-vous, c'est bien joli tout ça, mais la levure est peut-être un organisme trop simple pour généraliser ce mécanisme d'évolution à d'autres espèces; en plus on sait que la levure a un cycle de vie à la fois diploïde et haploïde, donc doit être assez robuste à la variation de ploïdie. Dans un organisme plus "évolué", on pourrait penser qu'une duplication du génome serait léthale. Que nenni ! La figure ci-contre montre le génome d'un poisson Tetraodon nigroviridis,. Chaque nombre correspond à un chromosome. Les liens rouges relient des copies de gènes identiques dans le génome. On voit immédiatement que des régions entières du génome s'alignent deux à deux : par exemple, le chromosome 14 s'aligne très bien avec le chromosome 10. Là encore, la seule explication plausible est qu'un ancêtre des poissons a connu une WGD. Encore plus intéressant : si on compare maintenant avec le génome d'un mammifère (typiquement le génome humain), on voit très clairement une correspondance deux pour un, exactement comme S. cerevisiae et K. Waltii. Sauf que c'est bien le poisson qui a vu son génome dupliqué par rapport à la lignée menant aux mammifères !

Allons encore plus loin dans l'analyse : évidemment, les blocs communs aux mammifères et aux poissons étaient forcément présents dans leur ancêtre commun. Il est donc possible a priori de reconstruire les chromosomes de cet ancêtre commun, l'ancêtre commun de tous les vertébrés osseux (ou osteichthyen). L'image ci-contre montre en haut une reconstruction de cet ancêtre commun, avec la duplication, puis le retour à un génome de taille normale pour les poissons. On voit également très clairement que peu de réarrangements chromosomiques ont eu lieu après la duplication : seulement 10 réarrangements à grande échelle permettent de décrire toute l'évolution entre la duplication et les poissons modernes. Le génome humain, au contraire, semble être beaucoup plus éclaté, et ressemble davantage à une mosaïque de morceaux de chromosomes de l'ancêtre des vertébrés. L'honneur est sauf : même si notre génome n'a pas été dupliqué, les multiples réarrangements chromosomiques supplémentaires (probablement dus à la présence de nombreux transposons comme Alu) indiquent que nous sommes "plus évolués" ...

Références et sources des images :

"Proof and evolutionary analysis of ancient genome duplication in the yeast Saccharomyces cerevisiae", Kellis et al., Nature 428, 617-624 (8 April 2004)

"Genome duplication in the teleost fish Tetraodon nigroviridis reveals the early vertebrate proto-karyotype", Jaillon et al., Nature 431, 946-957(21 October 2004)