La découverte du biologiste Christian Landry sur la duplication des gènes jette un éclairage neuf sur les mécanismes moléculaires de l’évolution des espèces.

Percées scientifiques 2017: pas toujours utile d’avoir une copie de secours

L’année 2017 a été riche en découvertes pour la communauté scientifique de la capitale. Chacun dans son domaine, des chercheurs de la région ont écrit de nouveaux chapitres de l’histoire scientifique. Le Soleil vous présente, à raison d’une par jour, les percées les plus marquantes de l’année.

En principe, il est toujours pratique d’avoir une copie de secours. Cela vaut pour les clés, pour les vêtements de rechange, et même pour les gènes, puisque l’on trouve beaucoup de gènes doublés et triplés dans le génome de bien des êtres vivants. Et toujours en théorie, ces copies ne servent essentiellement à rien tant que l’original n’a pas été perdu ou endommagé : il serait absurde de mettre au point une voiture qui devrait toujours être démarrée avec la clé et le double de clé en même temps. Mais c’est pourtant ce qu’a trouvé le biologiste de l’Université Laval Christian Landry en faisant des expériences sur le génome de levures.

Quand un organisme se reproduit, il doit toujours faire une copie de son matériel génétique afin de passer ses gènes à sa progéniture, mais il arrive que des «erreurs de transcription» soient faites — ce sont des mutations qui, souvent, sont nuisibles. Ce n’est pas un hasard si le génome humain contient deux copies de chaque gène : quand l’une contient un défaut qui la rend inopérante, l’autre peut prendre le relais. Ce n’est peut-être pas un hasard non plus si l’erreur de transcription la plus fréquente, dans la nature, est la duplication, soit le fait de copier un même gène deux fois au lieu d’une.

Alors quand M. Landry a regardé ce qui se passait lorsqu’il supprimait des gènes dupliqués (aussi nommés paralogues) dans les levures de son laboratoire, il s’attendait à ce que les protéines correspondantes (les gènes ne sont rien d’autre que des recettes de protéines) continuent de fonctionner comme si de rien n’était. Car enfin, à quoi pourrait bien servir un «rechange» autrement?

Pour 56 gènes paralogues de ses levures, M. Landry éliminé une des deux copies, puis il a regardé comment les protéines correspondantes interagissaient les unes avec les autres — interactions qui sont très fréquentes et essentielles pour que les protéines soient «construites» correctement et fassent bien leur travail. Quand les interactions restaient les mêmes, il considérait que la «copie de secours» avait pris le relais du gène supprimé. Mais ça n’est arrivé que dans 22 cas sur 56. Moins de la moitié des cas…

«Ce qui est plus surprenant, se souvient-il, c’est qu’on a aussi eu des cas où, quand on enlevait un gène dupliqué, au lieu d’avoir une compensation par le gène restant, on a eu l’effet inverse : le gène qui restait perdait ses fonctions. Au lieu de conférer une robustesse au système, on avait deux gènes dupliqués qui dépendaient l’un de l’autre pour bien fonctionner.»

En analysant les résultats plus finement, M. Landry et son équipe ont réalisé que c’était un type de protéines en particulier qui ne remplissait pas son rôle de «rechange». Certaines protéines ont besoin d’interagir avec d’autres protéines pour s’assembler alors que d’autres «s’autoassemblent», comme disent les biologistes : au lieu d’interagir avec d’autres protéines, elles interagissent avec elles-mêmes. Ce sont elles qui, quand M. Landry supprimait leur paralogue, cessaient de fonctionner au lieu de le remplacer.

Comme les fleurs et les abeilles

«On pense que cette dépendance ne s’installe pas tout de suite, mais apparaît au fil du temps, explique le généticien. C’est difficile de dire exactement comment ça se passe. C’est comme les fleurs et les abeilles : aujourd’hui elles ont besoin les unes des autres, mais c’est dur de dire par quelles étapes cette relation-là s’est développée. […] Mais le résultat, c’est que les deux protéines sont ensuite libres d’évoluer chacune de son côté.»

En fait, dit-il, le fait qu’un «jumeau» apparaît pourrait même être ce qui permet à un gène de changer, d’évoluer. «C’est une hypothèse sur laquelle on travaille présentement», indique-t-il.

Mais il reste que sa découverte, qui a été publiée dans la revue savante Science en avril, jette un éclairage neuf sur les mécanismes moléculaires de l’évolution des espèces. La duplication est non seulement l’«erreur de copie» la plus fréquente dans la nature, mais on connaît bien des cas où elle a permis à des espèces de s’adapter.

«Par exemple, illustre M. Landry, dans le génome des mammifères, il y a des gènes qui codent pour les récepteurs olfactifs. Selon l’espèce, ça va de 100 ou 200 à presque 1000 gènes. Et en général, plus il y en a, plus l’odorat est fin.» Beaucoup de ces gènes peuvent être apparus par duplication. De la même manière, les populations humaines qui vivent d’agriculture depuis des milliers d’années ont plus de copies d’un gène qui est responsable d’une protéine nommée amylase, qui sert à digérer les amidons. Ces derniers se trouvent surtout dans des plantes qui étaient cultivées dans les premières sociétés agraires et que les chasseurs-cueilleurs consommaient peu, comme le riz, le blé, le maïs et la pomme de terre.