L’évolution hybride

Une des visions les plus frappantes de l’évolution offerte pas les progrès en bioinformatique et en séquençage est celle du buisson évolutif. Les différentes espèces ne sont pas séparées une fois pour toutes, de façon discrète, à un temps t, elles peuvent continuer à s’hybrider. Directement, comme Néandertal et Sapiens. Indirectement via des spéciations incomplètes ou en anneau. En fait, c’est la notion même d’espèce qui est contestable (quoique commode). L’hybride, le mélange est la source d’innovations évolutives permanentes, dont l’exemple le plus frappant reste peut-être l’apparition des eucaryotes, hybride probable entre deux bactéries débouchant sur l’apparition du noyau cellulaire.

On pourrait penser que ces croisements de matériels génétiques très différents sont le fait d’un passé révolu, d’une soupe primordiale bactérienne peu regardante sur l’origine des différents ADN. C’est oublier que chaque centimètre cube de terre ou d’eau est rempli d’acide nucléique. C’est oublier qu’il n’y a rien de plus facile que de faire rentrer un plasmide bactérien dans une cellule (via par exemple une simple électroporation), plasmide qui, miracle, est alors tout naturellement exprimé ! La plasticité du vivant, la facilité de recombinaison d’ADN d’origine différente est beaucoup plus grande qu’on ne le croit généralement. D’autant que la nature a inventé ces portes d’entrées que sont les virus, circulant constamment entre organismes, capables de pirater les cellules pour assurer leur propre reproduction. Au passage, ces virus peuvent, par effraction, s’intégrer dans le génome de leur hôte, donnant justement lieu à un nouvel hybride étrange.

Deux articles récents très différents soulignent la plasticité évolutive donnée par ses intégrations virales.

Le premier est un très court article ( Agoni, L., Golden, A., Guha, C., & Lenz, J. (2012). Neandertal and Denisovan retroviruses. Current Biology, 22(11), R437–R438. doi:10.1016/j.cub.2012.04.049 ) comparant la carte des intégrations de rétrovirus dans notre lignée humaine et dans deux des génomes des lignées humaines modernes disparues, Néandertal et Denisova (cette nouvelle espèce dont on a déjà longuement parlé ici). La cible recherchée est un rétrovirus spécifique, appelé HERV-K, connu pour avoir réinfecté la lignée humaine après sa séparation de la lignée de nos cousins singes (chimpanzés et bonobos) il y a 6 millions d’années. Il en ressort que la majorité des sites ayant intégré HERV-K est commune aux trois génomes, mais aussi que Néandertal et Denisova ont plusieurs sites d’intégration du virus qui ne sont pas présents dans notre lignée.

Autrement dit, nos lignées humaines cousines ont été réinfectées par ces virus après leurs séparations d’avec sapiens sapiens. Mieux : l’un des sites d’intégration des séquences virales dans le génome est commun à Néandertal et à Denisova, ce qui est consistant avec l’idée que Néandertal et Denisova partagent un ancêtre humain plus récent que l’ancêtre commun des trois lignées humaines. Le scénario le plus plausible est donc le suivant : la lignée sapiens sapiens s’est séparée de la lignée Néandertal/Denisova (ND) il y a 800 000 ans. Puis la lignée ND a été infectée par le virus une première fois. Une spéciation a eu ensuite lieu et Néandertal et Denisova se sont séparés il y a 400 000 ans. Durant ces 400 000 ans, chacune des lignées a été encore infectée plusieurs fois indépendamment par ces rétrovirus !

Ces infections/intégrations virales sont donc très utile pour comprendre la dynamique de l’évolution, marquant le génome des différentes espèces avant les « embranchements » évolutifs majeurs. Mais surtout, les preuves s’accumulent pour montrer qu’elles sont aussi des sources majeures d’évolution pour les organismes supérieurs. Ainsi, on découvre que les génomes viraux ont une influence profonde sur l’évolution des processus de développement !

Il y avait déjà ce désormais fameux exemple de génome viral ayant contribué à l’évolution du placenta (voir cette très bonne interview évoquant le sujet chez Passeur de Sciences). Plusieurs articles parus ces dernières années ont montré que les séquences virales avaient « recâblé » les réseaux génétiques associés à la grossesse des mammifères ( Lynch, V. J., Leclerc, R. D., May, G., & Wagner, G. P. (2011). Transposon-mediated rewiring of gene regulatory networks contributed to the evolution of pregnancy in mammals. Nature Genetics, 43(11), 1154–1159. doi:10.1038/ng.917 ) et au contrôle des cellules souches (Kunarso, G., Chia, N.-Y., Jeyakani, J., Hwang, C., Lu, X., Chan, Y.-S., Ng, H.-H., et al. (2010). Transposable elements have rewired the core regulatory network of human embryonic stem cells. Nature Genetics, 42(7), 631–634. doi:10.1038/ng.600 ).
Cette semaine, un papier fascinant est sorti dans Nature ( Macfarlan, T. S., Gifford, W. D., Driscoll, S., Lettieri, K., Rowe, H. M., Bonanomi, D., Firth, A., et al. (2012). Embryonic stem cell potency fluctuates with endogenous retrovirus activity. Nature, 1–9. doi:10.1038/nature11244 ), montrant que des séquences virales sont très impliquées dans la propriété magique des cellules souches : celle de pouvoir donner tous les types de cellules possibles, la totipotence.

L’ADN ne contient pas que des gènes : il contient aussi (surtout ?) des séquences de régulation des gènes, appelées promoteurs. Il faut voir ces promoteurs comme des interrupteurs, actifs ou inactifs en fonction des protéines à l’intérieur des cellules. Le timing des activations de ces interrupteurs est alors crucial pour exprimer la bonne protéine au bon moment. Pfaff et son équipe ont examiné la nature des promoteurs contrôlant les gènes associés à l’état « totipotent » des cellules. Ils ont découvert que la plupart de ces gènes sont associés à un promoteur identique, répété de multiples fois dans le génome, et, grosse surprise, ce promoteur est en fait une séquence d’origine virale ! Lorsque la cellule se différencie ensuite et se spécialise en des types donnés, ces promoteurs viraux sont peu à peu éteints. Il ressort de ce travail une vision assez fascinante où l’évolution a utilisé ces morceaux de génomes viraux pour assurer la coordination temporelle globale (à l’échelle du génome) d’expressions génétiques cruciales au cours du développement.

On peut spéculer que l’utilisation de génomes viraux, bien connus pour s’intégrer et se dupliquer très facilement dans le génome (comme la séquence Alu), sont peut-être réutilisés comme une espèce de boîte à outils, dans laquelle l’évolution pioche pour affiner et améliorer les différents processus de développement. Sous la pression évolutive se produisent des recombinaisons infinies entre des séquences ADN animales/virus, pourtant séparées parfois par des milliards d’années d’évolution, mais étant restées suffisamment proches spatialement pour co-évoluer et finalement s’hybrider. L’arbre évolutif devient une sorte de buisson à multiples branches. Les animaux d’aujourd’hui sont peut-être autant le produit d’intégration constante de génomes « extérieurs » (et donc d’une certaine façon fonctionnels) que de mutations aléatoires. Ce qui est d’autant plus fascinant est que ce bouillon d’acide nucléique semble avoir une influence cruciale pour le timing et la régulation de processus complexes émergents, comme le développement ou la formation de placenta. La richesse et la complexité sort en quelque sorte d’une interaction directe entre échelles très différentes, celle du virus et celle de l’animal complexe et multicellulaire.


Aures références :


We Are Viral From the Beginning
(blog de Carl Zimmer)


Mammals made by viruses
(blog de Carl Zimmer)

« Les humains sont apparentés aux virus »

4 réflexions au sujet de « L’évolution hybride »

  1. Pour finir sur une note geek, on peut admirer la prescience de Greg Bear, qui, dans son roman « l’échelle de Darwin », décrit l’évolution de Sapiens depuis Néandertal par l’intégration d’un rétrovirus dans le génome. Evidemment, ce n’est pas du tout comme ça que cela s’est passé, mais l’idée que l’intégration de séquences virales dans le génome remodèle complètement le développement est bien présente.

  2. L’hypothèse est d’autant plus intéressante qu’elle pourrait permettre, IMHO, de comprendre la rapidité de l’évolution des espèces vivantes soumises à des changements brutaux d’environnement, rapidité difficilement explicable par les seules mutations génétiques aléatoires, vu leur faible probabilité de réussite. Le mécanisme que tu décris serait, me semble-t-il, un candidat idéal pour expliquer l’accumulation masquée de diversité génétique, diversité qui ne se dévoile que lorsque l’organisme est soumis à un stress particulier lors de son développement (j’avais écrit une série de billets sur le sujet (ici)…

  3. Ping : L’évolution hybride | Matières Vivantes | C@fé des Sciences | Scoop.it

  4. J’ai une petite question d’un noob dans ce domaine… Il me semble que le génome humain n’est pas encore complètement décodé, c’est un travail en cours…Comment peut on décoder plus vite les génome de nos ancêtres disparus depuis des millénaires et peiner à ce point sur le nôtre ?

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