Accélérer l’évolution au niveau du génome par une configuration chromosomique alternative

Une équipe de recherche dirigée par André Marques à l’Institut Max Planck pour la recherche sur la sélection végétale à Cologne, en Allemagne, a découvert les effets profonds d’un mode atypique d’arrangement chromosomique sur l’organisation et l’évolution du génome. Leurs conclusions sont publiées dans la revue Cellule.

Dans chaque cellule individuelle de notre corps, notre ADN, la molécule portant les instructions pour le développement et la croissance, est emballé avec des protéines dans des structures appelées chromosomes. Des ensembles complets de chromosomes constituent ensemble le génome, l’ensemble de l’information génétique d’un organisme. Dans la plupart des organismes, y compris nous, les chromosomes apparaissent comme des structures en forme de X lorsqu’ils sont capturés dans leurs états condensés et dupliqués en vue de la division cellulaire. En effet, ces structures peuvent être parmi les plus emblématiques de toute la science. La forme en X est due à une région resserrée appelée le centromère qui sert à connecter les chromatides sœurs, qui sont les copies identiques formées par la réplication de l’ADN d’un chromosome. La plupart des organismes étudiés sont « monocentriques », ce qui signifie que les centromères sont limités à une seule région sur chaque chromosome. Cependant, plusieurs organismes animaux et végétaux présentent une organisation centromère très différente : au lieu d’une constriction solitaire comme dans les chromosomes classiques en forme de X, les chromosomes de ces organismes abritent plusieurs centromères qui sont disposés en ligne d’une extrémité d’une chromatide sœur à L’autre. Ainsi, ces chromosomes n’ont pas de constriction primaire ni de forme en X, et les espèces avec de tels chromosomes sont appelées «holocentriques», du grec ancien hólos signifiant «entier».

Une nouvelle étude dirigée par André Marques de l’Institut Max Planck pour la recherche sur la sélection végétale à Cologne, en Allemagne, révèle maintenant les effets frappants de ce mode non classique d’organisation des chromosomes sur l’architecture et l’évolution du génome.

Pour déterminer comment l’holocentricité affecte le génome, Marques et son équipe ont utilisé une technologie de séquençage d’ADN très précise pour décoder les génomes de trois carex à bec holocentriques étroitement apparentés, des plantes à fleurs ressemblant à de l’herbe que l’on trouve dans le monde entier et qui sont souvent les premiers conquérants de nouveaux habitats. Pour référence, l’équipe a également décodé le génome de leur parent monocentrique le plus étroitement apparenté. Ainsi, la comparaison des carex à bec holocentriques avec leur parent monocentrique a permis aux auteurs d’attribuer toute différence observée aux effets de l’holocentricité.

Leurs analyses révèlent des différences frappantes dans l’organisation du génome et le comportement des chromosomes chez les organismes holocentriques. Ils ont découvert que la fonction centromère est répartie sur des centaines de petits domaines centromères dans les chromosomes holocentriques. Alors que dans les organismes monocentriques, les gènes sont largement concentrés à distance des centromères et des régions qui les entourent immédiatement, dans les espèces holocentriques, ils sont uniformément répartis sur toute la longueur des chromosomes. En outre, dans les espèces monocentriques, les chromosomes sont connus pour s’engager dans un degré élevé d’entremêlement les uns avec les autres au cours de la division cellulaire, une propriété qui semble jouer un rôle dans la régulation de l’expression des gènes. Notamment, ces interactions à longue distance ont été fortement diminuées dans les carex à bec avec des holocentromères. Ainsi, l’holocentricité affecte fondamentalement l’organisation du génome ainsi que le comportement des chromosomes lors de la division cellulaire.

Dans les organismes holocentriques, presque n’importe quel fragment chromosomique donné abritera un centromère et aura donc une fonction centromère appropriée, ce qui n’est pas vrai pour les espèces monocentriques. De cette manière, on pense que les holocentromères stabilisent les fragments et les fusions chromosomiques et favorisent ainsi l’évolution rapide du génome, ou la capacité d’un organisme à apporter des modifications rapides et globales à son ADN. Dans l’un des carex à bec qu’ils ont analysés, Marques et son équipe ont pu montrer que les fusions chromosomiques facilitées par les holocentromères permettaient à cette espèce de conserver le même nombre de chromosomes même après la quadruplication du génome entier. Dans un autre de leurs carex à bec analysés, une espèce avec seulement deux chromosomes, le plus bas de toutes les plantes, l’holocentricité s’est avérée responsable de la réduction spectaculaire du nombre de chromosomes. Ainsi, les chromosomes holocentriques pourraient permettre la formation de nouvelles espèces grâce à une évolution rapide au niveau du génome.

Selon Marques, « Notre étude montre que la transition vers l’holocentricité a grandement influencé la façon dont les génomes sont organisés et régulés, tout en permettant aux génomes d’évoluer rapidement en fusionnant leurs chromosomes ensemble. » Les découvertes de l’équipe montrent également des implications passionnantes pour la sélection végétale, qui repose généralement sur la capacité d’échanger de l’ADN et des gènes entre les chromosomes et les organismes. « Les plantes holocentriques permettent l’échange d’ADN à proximité des centromères, ce qui est normalement supprimé chez les espèces monocentriques. Comprendre comment les holocentriques font cela pourrait nous permettre de » déverrouiller « ces gènes chez les espèces monocentriques et de les rendre accessibles pour la sélection de meilleurs- espèces végétales plus performantes et plus résistantes.