Évolution chromosomique et génomes complets

© Inra, P. Popescu

La comparaison de l’organisation chromosomique entre espèces permet d’appréhender les événements évolutifs à travers les traces qu’en ont conservées leurs génomes. Le séquençage complet des génomes a notamment révélé une dynamique, jusqu’alors sous-estimée, d’expansion et de contraction de familles de gènes. Elle résulte principalement d’un mécanisme moléculaire de duplication de courtes régions chromosomiques, qui fournit un matériau permettant une nouvelle variabilité génétique. De plus, les régions dupliquées, instables, prédisposent à de vastes réarrangements chromosomiques, qui suggèrent une relation entre mutations chromosomiques se produisant à des échelles de temps différentes. Enfin, récemment, on a pu observer que cette dynamique de duplications se traduit également par une variabilité génomique au sein d’une même espèce.

De la découverte des chromosomes aux génomes complets

À la fin du XIX^e siècle, les cytologistes découvrent les chromosomes et leurs propriétés exceptionnelles : leur dédoublement au cours de la division cellulaire ; la réduction de leur nombre de moitié dans les cellules germinales de telle sorte que l’embryon reçoit ses chromosomes à parts égales des deux parents ; et, par voie de conséquence, la constance de leur nombre dans les cellules d’un même organisme et chez les individus d’une même espèce. L’organisation chromosomique présente une très grande stabilité au sein d’une même espèce mais elle diffère le plus souvent entre espèces. Les caryotypes évoluent avec les espèces et leur comparaison permet d’étudier l’évolution des espèces à travers les traces qu’en ont conservées leurs génomes. La conservation de chromosomes entiers entre le porc et l’homme témoigne de leur proche parenté au regard de l’évolution chromosomique. L’arrivée des séquences complètes des génomes devrait permettre d’éclaircir ce lien plus qu’étroit entre évolution chromosomique et évolution des espèces. Après la publication de la séquence complète du génome humain en 2001, d’autres séquences complètes de génome ont été publiées, celle de la souris, du rat et du chien mais également de nombreux génomes complets d’animaux d’élevage, ceux de la poule, du cheval et de la vache et très prochainement viendront ceux du cochon et du mouton.

Peinture chromosomique des chromosomes bovins en bandes R avec une sonde du chromosome humain entier 20. Les 2 chromosomes bovins 13 sont "peints" en partie par cette sonde (fluorescence vert-jaune) ce qui permet de détecter les régions du génome conservées entre le chromosome humain 20 et le génome bovin.
© Inra, Hélène Hayes

La duplication de segments chromosomiques, facteur d'évolution

La comparaison des séquences chromosomiques complètes permet d’étudier l’évolution des chromosomes à toutes les échelles : des réarrangements chromosomiques à l’échelle macroscopique aux substitutions des nucléotides en passant par toutes les modifications intermédiaires.
Que nous apprennent les génomes entièrement séquencés sur l’évolution chromosomique ? Leur analyse a permis d’abord de confirmer que les réarrangements chromosomiques se produisent à un rythme bien plus lent que les substitutions de nucléotides. Chez les vertébrés on observe 1 ou 2 réarrangements par génome et par million d’années contre près de 10 nouvelles substitutions par an. La possibilité d’observer des niveaux intermédiaires d’organisation a cependant permis de préciser les choses. L’une des observations les plus marquantes porte sur une dynamique, jusqu’alors sous-estimée, d’expansion et de contraction de familles de gènes qui résulte principalement d’un mécanisme moléculaire de duplication en tandem de courtes régions chromosomiques. L’expansion de la famille des gènes des récepteurs olfactifs chez le chien et chez la poule en est un exemple caractéristique qui souligne de plus l’importance de ce phénomène de duplication dans le processus d’adaptation des espèces. Il faut ajouter que ces régions dupliquées sont des régions instables et prédisposent à des réarrangements chromosomiques de plus grande ampleur suggérant ainsi une relation entre mutations chromosomiques se produisant à des échelles différentes.

Plus récemment, on a pu observer que cette dynamique de duplications se traduit également par une variabilité, au sein d’une même espèce, du nombre de copies de fragments d’ADN (CNV pour Copy Number Variation). Ce polymorphisme du nombre de copies porte sur des fragments d’une taille pouvant varier de quelques milliers de nucléotides à quelques millions. Déjà bien avancée chez l’homme, l’étude des CNV chez les animaux d’élevage n’en est qu’à ses débuts mais devrait permettre de compléter les données de variabilité nucléotidique pour aborder l’histoire des populations animales d’élevage.
L’un des enjeux de la génétique animale de ces prochaines années sera probablement de tenter de comprendre les contributions respectives des différents polymorphismes - CNV et autres micro-réarrangements, substitutions - à l’évolution des espèces domestiques et tout particulièrement à leur impact sur la variabilité des caractères d’intérêt agronomique.