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L'évolution des levures

Les levures sont des champignons unicellulaires. Elles représentent un rameau précoce de la branche évolutive à l’origine des animaux. Les levures se sont séparées des autres champignons il y a environ 3-400 millions d'années et se sont diversifiées en plus de 1 000 espèces. L'analyse des événements qui ont conduit à la différentiation de ce groupe est devenue possible grâce à la génomique comparée. Avec leurs génomes 4 000 fois plus petits que celui de l'homme, les levures représentent un matériel de choix pour ce type d’étude.

Numération de population cellulaire de  LEVURE   SACCHAROMYCES CEREVISIAE  en  MICROSCOPIE  optique directe sur cellule de Thomas (grossissement x 4OO). © SALMON Jean-Michel
Par Claude Gaillardin - Mission communication
Mis à jour le 21/10/2014
Publié le 24/11/2009

La levure de boulangerie, Saccharomyces cerevisiae, a été le premier eucaryote dont le génome a été entièrement séquencé. L'une des plus grandes surprises a été d'observer, à côté de gènes conservés chez les bactéries ou les animaux, un très grand nombre de gènes orphelins, sans ressemblance avec des gènes déjà connus. Les gènes conservés correspondaient à des fonctions de base conservées au cours de l'évolution, réplication des gènes ou métabolisme central par exemple. Parmi les gènes orphelins, ceux qui étaient déjà connus correspondaient souvent à des fonctions spécifiques des levures, comme la construction de la paroi, ou à des régulateurs de l'expression génique.

Peu après, des conclusions très semblables ont été obtenues lors du séquençage des génomes de mouche, de nématode ou de plante : un tiers au moins de leurs gènes ne ressemblaient pas aux gènes trouvés chez les autres.

D'où venaient ces gènes sans ancêtre identifiable ?

Le séquençage ultérieur de plus de 30 espèces de levures a apporté plusieurs réponses. Ces espèces recouvrent une diversité génique supérieure à celle de l'embranchement des vertébrés. Chez ceux-ci, un œil non averti ne perçoit pas de ressemblance entre l’aile d’une chauve-souris, une patte de cheval et une main. L’énorme distance évolutive entre les levures pouvait-elle de même masquer l'existence d'ancêtres des gènes orphelins ?

Tous les 5 850 gènes de S. cerevisiae ont en fait un parent dans l'une des autres levures et dérivent donc bien tous d'ancêtres communs. Les gènes précédemment orphelins chez S. cerevisiae présentent cependant une ressemblance souvent très faible avec ceux d'autres levures. Cela suggère qu'ils ont évolué très rapidement, et que leurs ancêtres sont devenus non identifiables dans les génomes d'autres organismes. Le scénario qui émerge est donc que les levures se sont différenciées des autres êtres vivants suite à l'action de gènes à évolution rapide, responsables d'une part de fonctions spécifiques et d'autre part de circuits de régulation originaux orchestrant des programmes génétiques particuliers (développement, différentiation cellulaire, etc.). Ces fonctions se sont non seulement créées, mais ont continué à évoluer : certaines levures ont perdu et redifférencié des gènes pour diverses fonctions, de sorte que des familles de levures se sont créées et profondément séparées.
Formation de zygotes de Saccharomyces cerevisiae (figure typique de copulation), illustrant une étape du mode de reproduction sexuée de la levure Saccharomyces cerevisiae (microscopie optique en contraste interférentiel de Nomarski, grossissement x 4OO).© Inra, SALMON Jean-Michel © Import
Formation de zygotes de Saccharomyces cerevisiae (figure typique de copulation), illustrant une étape du mode de reproduction sexuée de la levure Saccharomyces cerevisiae (microscopie optique en contraste interférentiel de Nomarski, grossissement x 4OO).© Inra, SALMON Jean-Michel © Import

Quels sont les mécanismes qui ont permis cette diversification ?

L'analyse des génomes montre que loin d'être des entités statiques, éventuellement soumises à des mutations ponctuelles et des réarrangements locaux, les chromosomes ont été constamment brassés au cours de l'évolution. Ils ont été affectés par des événements répétés de duplication de fragments chromosomiques, compensés par autant d'événements secondaires de perte tendant à maintenir constante la taille du génome total. La levure de boulangerie résulte ainsi d'un remaniement majeur survenu il y a environ 50 millions d'années : une duplication totale du génome de son ancêtre, suivie de la perte plus ou moins aléatoire de 80 % des séquences dupliquées. Chez d’autres levures, des duplications de segments chromosomiques sont à l'origine de familles de dizaines de gènes apparentés, sélectionnés pour faciliter la colonisation de niches écologiques nouvelles : des familles de protéines d'adhérence aux tissus de l'hôte ont ainsi été créées chez les levures du genre Candida, responsables d'infections sévères chez l'homme.

Contact(s)
Contact(s) scientifique(s) :

  • Claude Gaillardin Unité Microbiologie et génétique moléculaire
Département(s) associé(s) :
Microbiologie et chaîne alimentaire
Centre(s) associé(s) :
Versailles-Grignon