CGM - Département Développement et dynamique cellulaire
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Dynamique cellulaire chez la paramécie :
Génome de la Paramécie et évolution
Responsable : Jean COHEN
MàJ : 17/11/06
Des mécanismes d'évolution des espèces éclairées par le génome de la Paramécie
Image d'une paramécie recouverte de cils, qui assurent sa locomotion et lui permettent d'ingérer de la nourriture. Les deux micronoyaux germinaux et le macronoyau somatique sont indiqués. C'est l'ARN du macronoyau qui a été séquencé au Genoscope. Photo : J. Beisson.
La paramécie, bien connue des collégiens comme premier contact avec la vie à l’échelle microscopique, est l’un des premiers « microbes » à avoir été observés lors de l’invention du microscope au dix-septième siècle. Les méthodes simples de culture, la grande taille et la facilité d’observation de fonctions cellulaires variées (voir encart) sont les atouts de cet organisme unicellulaire. En effet, une petite communauté de biologistes américains, européens et japonais utilise depuis plus de cinquante ans la paramécie comme modèle approprié à l'étude de problèmes d’organisation cellulaire et d’hérédité, en particulier des phénomènes épigénétiques. Les efforts de cette communauté ont abouti à un projet français de séquençage du génome de la paramécie (Paramecium tetraurelia).
Seule parmi les eucaryotes unicellulaires, la paramécie (et les autres ciliés) sépare des fonctions germinales et somatiques, sous la forme de deux types de noyaux dans un cytoplasme unique, une situation qui évoque fortement la séparation de germen et soma chez les animaux. Un noyau germinal diploïde subit la méiose et transmet l'information génétique à la génération sexuelle suivante. C'est le "micronoyau". Un noyau somatique polyploïde exprime l'information génétique. C'est le "macronoyau". Ce dernier se forme à chaque génération sexuelle par des réarrangements programmés de tout le génome germinal, qui aboutissent à des chromosomes redessinés pour l'expression des gènes.
Des chercheurs du CNRS et du Genoscope – Centre National de Séquençage ont réalisé le décryptage du génome somatique de la paramécie et ont eu la surprise de découvrir que cet organisme microscopique possède 40 000 gènes – nettement plus que l'homme qui en a tout au plus 25 000 ! (voir article dans la revue Nature). Le séquençage des génomes de plantes et d'animaux avait déjà montré une absence de corrélation entre la complexité des organismes pluricellulaires et le nombre de gènes qu'ils possèdent dans leur génome. Ce paradoxe s'étend donc désormais à l'ensemble des eucaryotes, y compris unicellulaires.
Ils ont ensuite démontré que ce patrimoine exceptionnel était le résultat d'au moins trois duplications successives de tout le génome.
Les traits rouges et bleus connectent les gènes retenus en double après la duplication récente, sur les chromosomes actuels (rosace externe) et après les duplications intermédiaires et anciennes, sur les chromosomes ancestraux reconstruits (rosaces internes)
Par une méthode élégante, il a été possible de reconstituer le contenu des chromosomes ancestraux pour chacune des duplications (figure ci-contre).
Cette reconstruction a permis de dresser le bilan complet, pour tous les gènes, de la perte (retour à un seul gène) ou du maintien en double des gènes suite à chacune des duplications successives.
Les duplications de génome sont des événements rares, mais qui se sont produit de manière récurrente au cours de l'évolution des eucaryotes (on en trouve la trace dans des génomes de champignons, de plantes et d'animaux - y compris chez des mammifères. Depuis longtemps, il a été postulé que ces événements pourraient être à l'origine de transitions évolutives majeures (car le doublement du nombre de gènes offre un large potentiel d'innovation, et donc d'adaptation des espèces). Grâce à la découverte des trois duplications à différentes échelles de temps, le génome de la paramécie a permis d'évaluer directement les conséquences des duplications de génome sur l'évolution des espèces.
Le premier constat, qui confirme des observations faites sur d'autres génomes, est que le destin de la plupart des paires de gènes dupliqués est de perdre une des deux copies. Ce processus massif d'extinction de gènes est progressif et peut se prolonger sur plusieurs centaines de millions d'années. Cette évolution à deux vitesses (duplication simultanée de tout le répertoire de gènes suivie du retour progressif au nombre initial de gènes) permet de résoudre le paradoxe mentionné plus haut: le nombre de gènes dans un génome reflète non pas tant une adaptation à un mode de vie plus ou moins complexe, mais essentiellement le temps écoulé depuis sa dernière duplication !
Un deuxième résultat important était la validation de l'hypothèse qu'une duplication de génome peut conduire à la création explosive de nouvelles espèces. La paramécie fait partie d'un groupe de 15 espèces, qui sont génétiquement distinctes (ces espèces ne sont pas interfertiles) mais qui sont identiques dans leur morphologie et leurs niches écologiques (à tel point que les biologistes ont longtemps considéré qu'il s'agissait d'une seule espèce). Or, la datation de la duplication du génome la plus récente révèle qu'elle a eu lieu juste avant l'apparition de ce complexe de 15 espèces jumelles.
Le schéma ci-dessus résume la théorie d'incompatibilité Dobzhansky-Müller qui explique comment une duplication de génome peut conduire à l'émergence de nouvelles espèces.
Si ce résultat apportait une validation éclatante d'une théorie existante, la troisième contribution de l'analyse du génome de la paramécie était plutôt inattendue. Il fut possible de démontrer rigoureusement que la rétention de gènes en 2 copies suite à une duplication de génome reflétait des besoins d'équilibre entre des différents composants de la machinerie cellulaire, et non pas l'acquisition de nouvelles fonctions. Ceci s'explique par le fait que la plupart des gènes spécifient des protéines qui interagissent avec d'autres protéines pour construire des édifices subcellulaires ou pour assurer des activités enzymatiques au sein de réseaux. En conséquence, changer la quantité d'une protéine donnée relative à la quantité des autres protéines compromettrait l'assemblage des édifices ou l'activité des réseaux. Peu de temps après une duplication du génome, les gènes qui codent des protéines en interaction sont alors maintenus en deux copies. Le retour à l'état initial, par la perte d'une des deux copies, ne devient possible que très progressivement, suite a l'accumulation de mutations qui affectent le niveau d'expression des gènes. Des fonctions nouvelles apparaissent bien, mais seulement à des échelles de temps encore plus longues.
La conclusion frappante de l'étude du génome de la paramécie était donc qu'une sélection positive de nouvelles fonctions ne serait pas la force qui façonne le répertoire de gènes suite à une duplication de génome, comme semblaient l’indiquer des études des seules duplications de génome jusqu'alors disponibles mais beaucoup plus anciennes (par exemple, la duplication de génome chez la levure de boulangerie, Saccharomyces cerevisiae).
L'histoire ne s'arrête pas là. Le consortium Européen "Paramecium Genomics", soutenu par un contrat de Groupement de Recherche Européen du CNRS est déjà engagé à explorer la fonction des gènes retenus en deux copies après les différentes duplications de génome. Car la paramécie est un organisme modèle qui se prête à de telles expériences à l'échelle du génome. Comme le nématode C. elegans, la paramécie se nourrit de bactéries, et il est possible de cibler l'inactivation spécifique de gènes de manière remarquablement rapide, simple et efficace par l'ingestion de bactéries qui apportent de l'ARN double brin correspondant au gène ciblé. La machinerie cellulaire prend en charge l'ARN double brin ainsi introduit et l'utilise pour détruire tous les ARNm qui présentent la même séquence nucléotidique. C'est le mécanisme d'interférence par ARN.
Comme aide à ses recherches, la communauté qui étudie la paramécie dispose déjà d'une base de données, ParameciumDB, disponible par internet, http://paramecium.cgm.cnrs-gif.fr. On peut également consulter des pages d'information sur la paramécie et parcourir son génome sur le site web du Genoscope : http://www.genoscope.cns.fr/paramecie.
