Mystère génomique de longue date sur les origines des introns expliqué dans une nouvelle étude

L’un des mystères fondamentaux les plus anciens de la biologie concerne les origines mal comprises des introns. Les introns sont des segments d’ADN non codant qui doivent être retirés du code génétique avant d’être traduits dans le processus de fabrication des protéines. Les introns sont une caractéristique ancienne présente dans toute la vie eucaryote, un large éventail d’organismes qui couvre tous les animaux, plantes, champignons et protistes, mais sont absents des génomes procaryotes tels que ceux des bactéries. Il existe une variation massive du nombre d’introns trouvés dans les génomes de différentes espèces, même entre des espèces étroitement apparentées.

Maintenant, une nouvelle étude menée par des scientifiques de l’UC Santa Cruz et publiée dans la revue Actes de l’Académie nationale des sciences (PNAS) pointe vers les introns, l’un des nombreux mécanismes proposés pour la création d’introns découverts en 2009, comme explication de l’origine de la plupart des introns à travers les espèces. Les chercheurs pensent que les introns sont la seule explication probable des événements de rafale d’intron, dans lesquels des milliers d’introns apparaissent dans un génome apparemment tous à la fois, et ils en trouvent des preuves chez les espèces à travers l’arbre de la vie.

« [This study] fournit une explication plausible pour la grande majorité des origines des introns », a déclaré Russell Corbett-Detig, professeur agrégé de génie biomoléculaire et auteur principal de l’étude. « Il existe d’autres mécanismes, mais c’est le seul que je connaisse. pourrait générer des milliers et des milliers d’introns à la fois dans le génome. Si c’est vrai, cela suggère que nous avons découvert un processus central entraînant quelque chose de vraiment spécial dans les génomes eucaryotes – nous avons ces introns, nous avons une complexité génomique. »

Les introns sont importants car ils permettent un épissage alternatif, qui à son tour permet à un gène de coder pour plusieurs transcrits et donc de remplir plusieurs fonctions cellulaires complexes. Les introns peuvent également affecter l’expression des gènes, la vitesse à laquelle les gènes sont activés pour fabriquer des protéines et d’autres ARN non codants. Les introns ont finalement un effet neutre à légèrement négatif sur les espèces dans lesquelles ils existent car lorsque l’épissage des introns n’est pas effectué correctement, le gène dans lequel ils vivent peut être endommagé et même mourir. Ces cas d’épissage manqués sont la cause de certains cancers.

Corbett-Detig et ses collègues ont fouillé les génomes de 3 325 espèces eucaryotes – toutes les espèces pour lesquelles nous avons accès à des génomes de référence de haute qualité – pour découvrir à quel point les introns dérivés d’introneurs sont courants et dans quels groupes d’espèces ils sont observés le plus souvent. Ils ont trouvé un total de 27 563 introns dérivés d’introneurs dans les génomes de 175 espèces, ce qui signifie que des preuves d’intronateurs ont pu être observées chez 5,2 % des espèces étudiées.

Cette preuve a été trouvée dans des espèces de tous types, des animaux aux protistes unicellulaires, des organismes dont le dernier ancêtre commun a vécu il y a plus de 1,7 milliard d’années. La diversité des espèces dans lesquelles ils se trouvent suggère que les introns sont à la fois la source fondamentale et la plus répandue d’introns dans l’arbre de la vie.

« C’est diversifié – ce n’est pas comme s’il y avait un petit morceau de l’arbre de vie qui a ce qui se passe », a déclaré Corbett-Detig. « Vous voyez cela dans une assez grande gamme d’espèces, ce qui suggère que c’est un mécanisme assez général. »

Cette analyse ne peut détecter que des preuves d’introneurs remontant à quelques millions d’années, une période relativement courte en ce qui concerne l’histoire de l’évolution. Il est probable que des sursauts d’introns aient pu se produire chez certaines espèces, telles que les humains, à un moment au-delà de la portée de cette analyse, ce qui signifie que cette étude sous-estime probablement largement la véritable portée des introns dérivés d’introners chez tous les eucaryotes.

Introners comme parasites génomiques

Dans l’écosystème du génome, les introneurs peuvent être considérés comme des parasites dont le but est de survivre et de se répliquer. Lorsqu’un intronateur pénètre dans un nouvel organisme, ce nouvel hôte n’a jamais vu cet élément auparavant et n’a aucun moyen de se défendre, ce qui lui permet de proliférer dans une nouvelle espèce.

« Tout dans l’évolution est un conflit et ces éléments, [including introners]sont des morceaux d’ADN égoïstes », a déclaré Landen Gozashti, le premier auteur de l’article qui a développé les méthodes d’analyse de l’étude en tant qu’étudiant de premier cycle à l’UCSC et est maintenant étudiant diplômé à l’Université de Harvard. Je ne veux pas tuer leur hôte, c’est parce que cela les tue. »

En étant séparés de la séquence d’ADN avant que la traduction du gène en protéines ne se produise, les introneurs ont trouvé un moyen d’avoir moins d’impact sur la forme physique du gène hôte, leur permettant de persister à travers les générations de l’évolution de l’espèce hôte. Les chercheurs ont découvert que les introns dérivés des introns semblent mieux s’épisser que les autres types d’introns, pour limiter leurs effets négatifs sur le gène afin que l’intron et l’hôte puissent mieux survivre.

Plus d’introneurs dans la mer

Alors que tous les introns ont été trouvés dans tous les types d’espèces, les résultats ont montré que les organismes marins étaient 6,5 fois plus susceptibles d’avoir des introns que les espèces terrestres.

Les chercheurs pensent que cela est probablement dû à un phénomène appelé transfert horizontal de gènes, dans lequel les gènes sont transférés d’une espèce à une autre, par opposition au transfert vertical typique via l’accouplement et la transmission de gènes du parent à l’enfant. On sait déjà que le transfert horizontal de gènes se produit plus fréquemment dans les environnements marins, en particulier entre des espèces unicellulaires aux écologies complexes.

Les introneurs peuvent voyager de cette façon parce qu’ils appartiennent à une classe d’éléments génomiques appelés éléments transposables, qui ont la capacité de se déplacer au-delà de l’environnement cellulaire dans lequel ils vivent, ce qui les rend mécaniquement bien équipés pour voyager entre les espèces via le transfert horizontal de gènes. Au fur et à mesure que les introns se transféraient d’une espèce à une autre dans les environnements marins, ils ont considérablement étendu leur présence à travers l’arbre de la vie.

Considérant que nous savons que toutes les espèces ont évolué à partir d’organismes marins, il se peut que les espèces terrestres aient gagné des introns à partir de sursauts d’intron très loin dans leur histoire évolutive.

« Si vos ancêtres étaient des organismes marins, ce qu’ils étaient tous, il y a de fortes chances que beaucoup de vos introns soient en quelque sorte hérités d’un organisme similaire [introner burst] événement à l’époque », a déclaré Corbett-Detig. « Cela aurait pu être très important dans notre passé évolutif. »

Plus d’introners ont également été trouvés parmi les espèces fongiques, qui sont également connues pour avoir des taux plus élevés de transfert horizontal de gènes, soutenant davantage l’idée que ce phénomène entraîne un gain d’itroner.

Dans de futures recherches, Corbett-Detig prévoit de rechercher des preuves de transfert horizontal de gènes sous la forme d’intronateurs presque identiques dans deux espèces différentes. Il a mis en place des pipelines d’exploration de données afin que, à mesure que la communauté mondiale des chercheurs en génomique contribue aux génomes de nouvelles espèces dans les référentiels de données, son algorithme recherche les introners de chaque nouveau génome et le compare à tous les introners connus pour rechercher des similitudes.

Comprendre comment la complexité évolue

Cette étude présente un défi à l’une des théories globales de l’évolution du génome quant à ce qui motive la complexité génomique chez les eucaryotes. La théorie postule également qu’à un moment donné de l’évolution, de nombreuses espèces avaient une taille de population effective faible, ce qui signifie que très peu d’organismes d’une espèce produisaient une progéniture pour créer leur prochaine génération. Cela a permis à des éléments connus pour avoir des effets légèrement négatifs sur la population de s’accumuler dans le génome.

Selon cette théorie, les itroners, qui sont neutres à légèrement délétères, seraient plus fréquemment observés dans les populations avec des populations efficaces plus faibles, mais les chercheurs ont découvert le contraire. Par exemple, ils ont trouvé que Symbiodiniumun protiste connu pour avoir une taille de population effective beaucoup plus élevée que les humains, les plantes terrestres et les autres invertébrés, est l’espèce qui semble gagner le plus d’introns parmi ceux étudiés.

Mais cette recherche pointe vers une complexité résultant non pas d’une adaptation créée par le génome lui-même, mais comme une réponse au conflit provoqué par l’élément envahissant transposable, l’introneur, alors qu’il tente de proliférer. Alors que les introneurs et d’autres éléments luttent pour survivre et persister, ce conflit entraîne la complexité du génome.

Introners et expression génique

Les effets neutres à négatifs des introns sont également mis en évidence par leur effet sur l’expression des gènes. Lorsque l’on compare les gènes avec des intronateurs insérés à ceux qui n’en ont pas, ceux qui en ont ont un niveau d’expression global inférieur, ce qui signifie qu’ils sont moins souvent activés pour effectuer des fonctions dans le corps.

Les chercheurs pensent que les introneurs ne sont pas nécessairement directement à l’origine de cette expression plus faible, mais que les gènes qui sont moins exprimés ont une tolérance plus élevée pour un élément qui peut les affecter négativement car ils importent moins pour la survie de l’espèce. Pendant ce temps, les gènes qui sont fortement exprimés et peuvent coder pour des fonctions clés dans le corps ne peuvent probablement pas tolérer l’introduction de nouveaux introns qui pourraient les amener à accomplir leur tâche moins efficacement.

Les recherches en cours de Corbett-Detig sur ce sujet impliquent également d’examiner des preuves directes de la façon dont l’apparition d’introns dans un génome affecte les individus au sein d’une espèce. Il a identifié plusieurs espèces qui connaissent des sursauts d’introns en cours et étudie l’effet des introns sur l’ADN et l’ARN de la cellule, et comment cela affecte l’aptitude évolutive de l’espèce.