29+ Preuves de la macroévolution : Partie 4

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Les preuves de la séquence moléculaire constituent la preuve la plus impressionnante et irréfutable de la parenté généalogique de toute la vie. La nature des séquences moléculaires permet des calculs de probabilité extrêmement impressionnants qui démontrent à quel point les prédictions de la descendance commune avec modification correspondent en réalité aux observations empiriques. La descendance commune est une déduction qui découle directement de prémisses basées sur des preuves moléculaires observées empiriquement. De plus, la connaissance des mécanismes et structures moléculaires biologiques, combinée à la théorie de la macroévolution, a permis des prédictions biomoléculaires très spécifiques, nouvelles et testables.

Prédiction 4.1 : Redondance fonctionnelle des protéines

Le soutien apporté par les études de séquences moléculaires à la descendance commune peut être formulé sous forme d'un argument déductif. Cet argument est unique dans ce FAQ, car il s'agit de la seule instance où nous pouvons conclure directement que la similitude implique une parenté. Cette conclusion dépend de la similitude des structures biologiques dans un contexte spécifique : la similitude observée entre des gènes ubiquitaires provenant d'espèces différentes.

La discussion suivante est quelque peu technique ; elle est donc d'abord présentée sous la forme d'un schéma d'argumentation déductive, ce qui rend le fil logique facile à suivre. Voici énumérées les prémisses de l'argument, suivies de la conclusion et d'une discussion complémentaire.

L'essentiel de l'argument :

(P1) Gènes ubiquitaires : Il existe certains gènes que tous les organismes vivants possèdent car ils assurent des fonctions vitales très de base ; ces gènes sont appelés gènes ubiquitaires.

(P2) Les gènes ubiquitaires ne sont pas corrélés aux phénotypes spécifiques aux espèces : Les gènes ubiquitaires n'ont aucun lien avec les fonctions spécifiques des différentes espèces. Par exemple, qu'il s'agisse d'une bactérie, d'un humain, d'une grenouille, d'une baleine, d'un colibri, d'un escargot, d'un champignon ou d'une anémone de mer, vous possédez ces gènes ubiquitaires et ils assurent tous la même fonction biologique de base, peu importe ce que vous êtes.

(P3) Les séquences moléculaires des gènes ubiquitaires sont fonctionnellement redondantes : Toute protéine ubiquitaire donnée possède un nombre extrêmement élevé de formes fonctionnellement équivalentes différentes (c'est-à-dire des séquences de protéines capables d'assurer la même fonction biochimique).

(P4) Les gènes ubiquitaires spécifiques sont inutiles dans toute espèce donnée : Évidemment, il n'y a aucune raison a priori pour laquelle chaque organisme devrait avoir la même séquence ou même des séquences similaires. Aucune séquence spécifique n'est fonctionnellement nécessaire dans tout organisme ; tout ce qui est nécessaire, c'est l'une des nombreuses formes fonctionnellement équivalentes d'un gène ou d'une protéine ubiquitaire donnée.

(P5) L'hérédité corrèle les séquences, même en l'absence de nécessité fonctionnelle : Il n'existe qu'un seul mécanisme observé qui cause à deux organismes différents de posséder des protéines ubiquitaires avec des séquences similaires (à part l'improbabilité extrême du pur hasard, bien sûr). Ce mécanisme est l'hérédité.

(C) Ainsi, des gènes ubiquitaires similaires indiquent une relation généalogique : Il s'ensuit que les organismes qui possèdent des séquences similaires pour les protéines ubiquitaires sont généalogiquement apparentés. En gros, plus les séquences sont similaires, plus la relation généalogique est proche.

Débat :

Les séquences d'acides aminés des protéines sont souvent utilisées pour établir les relations phylogénétiques entre les espèces. Les études de séquence sur les gènes fonctionnels se sont concentrées sur les gènes de protéines (ou d'ARN) qui sont ubiquitaires (c'est-à-dire que tous les organismes les possèdent). Cela est fait pour s'assurer que les comparaisons sont indépendantes du phénotype global de l'espèce.

Par exemple, supposons que nous comparions la séquence de protéines d'un chimpanzé et celle d'un humain. Ces deux animaux possèdent de nombreux caractères anatomiques et fonctions similaires, de sorte que nous pourrions nous attendre à ce que leurs protéines soient également similaires, qu'ils soient ou non apparentés par filiation. Cependant, nous pouvons comparer les séquences de gènes très fondamentaux utilisés par tous les organismes vivants, tels que le gène de la cytochrome c, qui n'ont aucune influence sur les caractéristiques spécifiques des chimpanzés ou des humains.

La cytochrome c est une protéine essentielle et ubiquitaire présente chez tous les organismes, y compris les eucaryotes et les bactéries (Voet et Voet 1995, p. 24). Les mitochondries des cellules contiennent la cytochrome c, où elle transporte des électrons dans le processus métabolique fondamental de la phosphorylation oxydative. L'oxygène que nous respirons est utilisé pour générer de l'énergie dans ce processus (Voet et Voet 1995, pp. 577-582).

En utilisant un gène ubiquitaire tel que le cytochrome c, il n'y a aucune raison de supposer que deux organismes différents devraient avoir la même séquence de protéines ou même des séquences de protéines similaires, sauf si les deux organismes sont apparentés. Cela est dû en partie à la redondance fonctionnelle des séquences et structures de protéines. Ici, la « redondance fonctionnelle » indique que de nombreuses séquences de protéines différentes forment la même structure générale et remplissent le même rôle biologique général. Le cytochrome c est une protéine extrêmement redondante fonctionnellement, car de nombreuses séquences dissimilaires forment toutes des protéines de transport d'électrons du cytochrome c. La redondance fonctionnelle n'a pas besoin d'être exacte en termes de performance ; certaines séquences fonctionnelles de cytochrome c peuvent être légèrement plus efficaces pour le transport d'électrons que d'autres.

Des décennies de preuves biochimiques ont montré que de nombreuses mutations d'acides aminés, en particulier celles des résidus de surface, n'ont qu'un effet minime sur la fonction des protéines et sur leur structure (Branden et Tooze 1999, Ch. 3 ; Harris et al. 1956 ; Lesk 2001, Chs. 5 et 6, pp. 165-228 ; Li 1997, p. 2 ; Matthews 1996). Un exemple frappant est celui des cytochromes de type c provenant de diverses bactéries, qui présentent une similitude de séquence quasi nulle. Néanmoins, ils se replient tous dans la même structure tridimensionnelle et ils remplissent tous le même rôle biologique (Moore et Pettigrew 1990, pp. 161-223 ; Ptitsyn 1998).

Même au sein d'une même espèce, la plupart des mutations d'acides aminés sont fonctionnellement silencieuses. Par exemple, il existe au moins 250 mutations d'acides aminés différentes connues dans l'hémoglobine humaine, portées par plus de 3 % de la population mondiale, qui n'ont aucune manifestation clinique chez les individus hétérozygotes ou homozygotes (Bunn et Forget 1986 ; Voet et Voet 1995, p. 235). Le phénomène de redondance fonctionnelle des protéines est très général et est observé dans toutes les protéines et gènes connus.

En tenant compte de cela, considérez à nouveau les séquences moléculaires du cytochrome c. Le cytochrome c est absolument essentiel à la vie : les organismes qui en sont dépourvus ne peuvent pas survivre. Il a été démontré que la protéine cytochrome c humaine fonctionne chez la levure (un organisme unicellulaire) dont le gène cytochrome c natif a été supprimé, bien que le cytochrome c de la levure diffère du cytochrome c humain à plus de 40 % de la protéine (Tanaka et al. 1988a; Tanaka et al. 1988b; Wallace et Tanaka 1994). En fait, les gènes cytochrome c provenant du thon (poisson), du pigeon (oiseau), du cheval (mammifère), de la mouche Drosophila (insecte) et du rat (mammifère) fonctionnent tous chez la levure qui manque de son propre cytochrome c de levure (Clements et al. 1989; Hickey et al. 1991; Koshy et al. 1992; Scarpulla et Nye 1986). De plus, une analyse génétique approfondie du cytochrome c a démontré que la majorité de la séquence protéique est inutile pour sa fonction in vivo (Hampsey et al. 1986; Hampsey et al. 1988). Seule environ un tiers des 100 acides aminés du cytochrome c sont nécessaires pour spécifier sa fonction. La plupart des acides aminés du cytochrome c sont hypervariables (c'est-à-dire qu'ils peuvent être remplacés par un grand nombre d'acides aminés fonctionnellement similaires) (Dickerson et Timkovich 1975). Importamment, Hubert Yockey a mené une étude minutieuse dans laquelle il a calculé qu'il existe un minimum de 2,3 x 10⁹³ séquences protéiques cytochrome c fonctionnelles possibles, sur la base de ces analyses de mutations génétiques (Hampsey et al. 1986; Hampsey et al. 1988; Yockey 1992, Ch. 6, p. 254). Pour se repérer, le nombre 10⁹³ est d'environ un milliard de fois supérieur au nombre d'atomes dans l'univers visible. Ainsi, les séquences cytochrome c fonctionnelles sont pratiquement illimitées en nombre, et il n'y a aucune raison a priori pour que deux espèces différentes aient les mêmes séquences protéiques cytochrome c, ou même des séquences légèrement similaires.

En termes d'analyse statistique scientifique, l'hypothèse nulle est que l'identité des acides aminés non essentiels dans les protéines cytochrome c de l'humain et du chimpanzé devrait être aléatoire les unes par rapport aux autres. Cependant, selon la théorie de la descendance commune et notre arbre phylogénétique standard, nous savons que les humains et les chimpanzés sont très étroitement apparentés. Nous prédisons donc, malgré les probabilités, que les séquences de cytochrome c de l'humain et du chimpanzé devraient être beaucoup plus similaires que, par exemple, celles de l'humain et de la levure cytochrome c - simplement en raison de l'héritage.

Confirmation :

Les humains et les chimpanzés possèdent exactement la même séquence de protéine cytochrome c. L'hypothèse nulle donnée ci-dessus est fausse. En l'absence de descendance commune, la probabilité de cet événement est conservativement inférieure à 10^-93 (1 sur 10⁹³). Ainsi, le haut degré de similarité de ces protéines constitue une corroboration spectaculaire de la théorie de la descendance commune. De plus, les protéines cytochrome c humaines et de chimpanzé diffèrent par environ 10 acides aminés de tous les autres mammifères. La probabilité de cela se produire en l'absence d'un mécanisme héréditaire est inférieure à 10^-29. La levure Candida krusei est l'un des organismes eucaryotes les plus éloignés des humains. Candida présente 51 différences d'acides aminés par rapport à la séquence humaine. Une estimation conservatrice de cette probabilité est inférieure à 10^-25.

Critiques :

Une objection possible, bien que peu probable, est que les légères différences de performance fonctionnelle entre les divers cytochromes pourraient être responsables de cette similarité de séquence. Cette objection est peu probable en raison du nombre incroyablement élevé de séquences presque équivalentes qui seraient phénotypiquement indistinguables pour tout niveau de performance requis. De plus, des séquences presque similaires ne donnent pas nécessairement des niveaux de performance presque similaires.

Néanmoins, pour l'argumentation, supposons qu'un cytochrome c transportant des électrons plus rapidement soit nécessaire chez les organismes à métabolisme actif ou à taux élevé de contraction musculaire. Si cela était vrai, nous pourrions nous attendre à observer un motif de similarité de séquence qui corrèlerait avec la similarité de l'environnement ou avec les exigences physiologiques. Cependant, ce n'est pas observé. Par exemple, le cytochrome c de chauve-souris est beaucoup plus similaire au cytochrome c humain qu'au cytochrome c de colibri ; le cytochrome c de dauphin est beaucoup plus similaire au cytochrome c humain qu'au cytochrome c de requin. Comme indiqué précédemment dans prédiction 1.3, l'arbre phylogénétique construit à partir des données de cytochrome c reproduit exactement les relations des grands taxons telles qu'elles ont été déterminées par les données morphologiques complètement indépendantes (McLaughlin et Dayhoff 1973). Ces faits ne font que renforcer davantage l'idée que les séquences de cytochrome c sont indépendantes de la fonction phénotypique (à l'exception de l'exigence évidente d'un cytochrome c fonctionnel qui transporte des électrons).

Récapitulatif :

Le point de cette prédiction est subtilement différent de la prédiction 1.3, « Convergence de phylogénies indépendantes ». Les preuves présentées ci-dessus démontrent que pour de nombreuses protéines fonctionnelles ubiquitaires (telles que la cytochrome c), il existe un nombre énorme de séquences équivalentes qui pourraient former cette protéine chez n'importe quel organisme donné. Chaque fois que nous constatons que deux organismes possèdent les mêmes ou des séquences très similaires pour une protéine ubiquitaire, nous savons que quelque chose de suspect se passe. Pourquoi ces deux organismes auraient-ils de telles protéines ubiquitaires similaires alors que les probabilités en sont astronomiquement contre ? Nous ne connaissons qu'une seule raison pour laquelle deux organismes auraient deux séquences de protéines similaires en l'absence de nécessité fonctionnelle : l'hérédité. Ainsi, dans de tels cas, nous pouvons déduire avec confiance que les deux organismes sont apparentés généalogiquement. En ce sens, la similarité des séquences n'est pas seulement un test de la théorie de la descendance commune ; la descendance commune est également une déduction du principe d'hérédité et de l'observation de la similarité des séquences. Enfin, la similarité observée pour la cytochrome c n'est pas limitée à cette seule protéine ubiquitaire ; toutes les protéines ubiquitaires qui ont été comparées entre les chimpanzés et les humains sont hautement similaires, et de nombreuses comparaisons ont été effectuées.

Falsification potentielle :

Sans supposer la théorie de la descendance commune, le résultat le plus probable est que les séquences de protéines cytochrome c chez tous ces organismes différents seraient très différentes les unes des autres. Si c'était le cas, une analyse phylogénétique serait impossible, et cela fournirait des preuves très fortes en faveur d'une origine des espèces non apparentées, peut-être simultanée, (Dickerson 1972; Yockey 1992; Li 1997).

De plus, les fondements mêmes de cet argument pourraient être facilement remis en question s'il était démontré (1) que les protéines cytochrome c spécifiques aux espèces étaient fonctionnelles exclusivement dans leurs organismes respectifs, ou (2) qu'aucune autre séquence de cytochrome c ne pouvait fonctionner dans un organisme autre que son propre cytochrome c natif, ou (3) qu'un mécanisme observé autre que l'hérédité peut corrélér causalement la séquence d'une protéine ubiquitaire à une morphologie organismique spécifique.

Prédiction 4.2 : Redondance du code ADN

Comme la similarité des séquences de protéines, la similarité des séquences d'ADN de deux gènes ubiquitaires implique également une ascendance commune. Bien sûr, les comparaisons complètes de séquences d'ADN de protéines conservées telles que la cytochrome c prennent également indirectement en compte les séquences d'acides aminés, puisque la séquence d'ADN spécifie la séquence de protéines. Cependant, avec les séquences d'ADN, il y a un niveau supplémentaire de redondance. Le code génétique lui-même est redondant sur le plan informationnel ; en moyenne, il existe trois codons différents (un codon est un triplet de bases d'ADN) qui peuvent spécifier exactement le même acide aminé (Voet et Voet 1995, p. 966). Ainsi, pour la cytochrome c, il existe environ 3¹⁰⁴, soit plus de 10⁴⁶, séquences d'ADN différentes (et, par conséquent, 10⁴⁶ gènes possibles différents) qui peuvent spécifier exactement la même séquence de protéines.

Ici, nous pouvons être très précis dans notre prédiction. Toute différence de séquence entre deux gènes fonctionnels de cytochrome c est nécessairement neutre sur le plan fonctionnel ou presque. Le taux de mutation de fond chez l'homme (et chez la plupart des autres mammifères) a été mesuré à ~1-5 x 10^-8 substitutions de bases par site par génération (Mohrenweiser 1994, pp. 128-129), et une génération moyenne de primate est d'environ 20 ans. Selon le registre fossile, nous savons que les humains et les chimpanzés se sont séparés d'un ancêtre commun il y a moins de 10 millions d'années (une estimation prudente - probablement moins de 6 millions d'années) (Stewart et Disotell 1998). Ainsi, si les chimpanzés et les humains sont véritablement apparentés sur le plan généalogique, nous prédisons que la différence entre leurs séquences d'ADN respectives de cytochrome c devrait être inférieure à 3 % - probablement même beaucoup moins, en raison de la fonction essentielle du gène de cytochrome c.

Confirmation :

Comme mentionné ci-dessus, les protéines cytochrome c chez les chimpanzés et les humains sont exactement identiques. L'élément décisif est que les deux séquences d'ADN codant pour le cytochrome c chez les humains et les chimpanzés diffèrent par seulement quatre nucléotides (une différence de 1,2 %), même s'il existe 10⁴⁹ séquences différentes qui pourraient coder pour cette protéine.

Les effets combinés de la redondance du code ADN et de la redondance des séquences protéiques rendent les comparaisons de séquences d'ADN doublement redondantes ; les séquences d'ADN de protéines ubiquitaires sont totalement non corrélées avec les différences phénotypiques entre les espèces, mais elles sont fortement corrélées de manière causale à l'hérédité. C'est pourquoi les phylogénies basées sur les séquences d'ADN sont considérées comme si robustes.

Falsification potentielle :

Le résultat le plus probable est que les séquences d'ADN codant pour ces protéines devraient être radicalement différentes. Cela constituerait une réfutation éclatante de la macroévolution, et ce serait une preuve très forte que les chimpanzés et les humains ne sont pas étroitement apparentés sur le plan généalogique. Bien sûr, les réfutations potentielles pour la prédiction 4.1 s'appliquent également aux séquences d'ADN.

Prédiction 4.3 : Preuves moléculaires - Transposons

De nombreuses façons, les transposons sont très similaires aux virus. Cependant, ils manquent de gènes pour les protéines de capuchon virales, ne peuvent pas traverser les limites cellulaires et se répliquent donc uniquement dans le génome de leur hôte. On peut les considérer comme des parasites intragénomiques. Sauf dans les circonstances les plus rares, le seul mode de transmission d'un organisme métazoaire à un autre est la duplication directe de l'ADN et l'hérédité (par exemple, vos transposons sont transmis à vos enfants) (Li 1997, pp. 338-345).

La réplication d'un transposon signifie qu'il se copie lui-même et insère l'ADN copié de manière aléatoire ailleurs dans le génome de l'hôte. La réplication des transposons (également appelée transposition) a été directement observée chez de nombreux organismes, y compris la levure, le maïs, les wallabies, les humains, les bactéries et les mouches, et récemment les mécanismes sont bien compris (Li 1997, pp. 335-338; Futuyma 1998, pp. 639-641). Des cas observés spécifiques de rétrotransposition sont connus pour avoir causé la neurofibromatose et l'hémophilie chez l'humain (Kazazian et al. 1988; Wallace et al. 1991), ainsi que le cancer, entre autres maladies (Deininger et Batzer 1999).

Cette section sur les transposons, ainsi que les deux sections suivantes traitant des pseudogènes et des rétrovirus endogènes, sont toutes liées conceptuellement. Les séquences d'ADN dans les régions intergéniques (régions entre les gènes codant pour des protéines dans les génomes) comprennent de très nombreux transposons (comme les LINEs et les SINEs), des rétrovirus endogènes (comme les HERVs), des pseudogènes et d'autres séquences apparentées comme les microsatellites. De nombreux microsatellites sont étroitement associés et générés par des rétrotransposons comme les LINEs et les SINEs (Arcot et al. 1995; Nadir et al. 1996; Wilder et Hollocher 2001; Yandava et al. 1997). Ces séquences intergéniques sont principalement responsables des motifs très spécifiques observés dans les analyses de « fingerprinting ADN », comme celles effectuées lors de tests de paternité ou de fratrie. Comme les empreintes digitales, ces régions intergéniques varient considérablement entre les organismes individuels et les motifs sont largement arbitraires. Par exemple, les éléments Alu, un type de rétrotransposon SINE, transposent vers une nouvelle localisation génomique environ tous les 200 naissances humaines (Deininger et Batzer 1999), et les Alus contribuent à une fraction significative de la diversité génétique humaine (Batzer et Deininger 2002). Dans le cas du transposon L1 humain, un seul parmi de nombreux éléments LINE humains, une rétrotransposition nouvelle est hébergée par environ 1 individu sur 20 (Scaringe et al. 2001; Ostertag et Kazazian 2001). Il s'agit d'une estimation conservatrice, étant donné que chacun d'entre nous possède environ 50 LINEs L1 compétents en rétrotransposition (Brouha et al. 2003). Les régions intergéniques du génome, comme tout l'ADN, sont héréditaires et il existe une corrélation très forte entre les apparentés. Lorsque deux individus sont trouvés qui partagent des motifs intergéniques spécifiques bien au-delà de ce qui est attendu par le hasard seul, il s'agit d'une preuve très forte d'une ascendance commune. C'est en fait la base scientifique même du fingerprinting ADN.

Comme expliqué ci-dessus, la présence du même transposon au même emplacement chromosomique chez deux organismes différents constitue une preuve directe forte d'une ascendance commune, car ils s'insèrent de manière assez aléatoire et ne peuvent généralement être transmis que par l'hérédité. De plus, une fois qu'un ancêtre commun contenant une certaine transposition a été postulé, tous les descendants de cet ancêtre commun devraient également contenir la même transposition. Une exception possible serait si cette transposition avait été supprimée en raison d'un événement de délétion rare ; cependant, les délétions ne sont jamais propres et une partie de la séquence du transposon reste généralement présente. En utilisant les mêmes principes que ceux de l'empreinte génétique ADN, les biologistes ont utilisé des transposons, des pseudogènes et des rétrovirus endogènes pour démontrer que de nombreuses espèces sont génétiquement apparentées, tels que les humains et autres primates. Quelques exemples parmi beaucoup d'autres sont donnés ci-dessous.

Confirmation :

Une classe courante de transposon est l'élément rétrotransposon SINE (Li 1997, pp. 349-352). Un transposon SINE important est l'élément Alu de 300 pb. Tous les mammifères contiennent de nombreux éléments Alu, y compris chez les humains où ils constituent 10 % du génome humain (c'est-à-dire 60 millions de bases d'ADN répétitif) (Smit 1996; Li 1997, pp. 354, 357). Des transpositions Alu humaines très récentes ont été utilisées pour élucider les migrations humaines historiques et préhistoriques, car certains individus présentent des insertions Alu plus récentes que d'autres individus (Novick et al. 1993; Novick et al. 1995). En fait, des transpositions Alu courantes ont été démontrées comme des marqueurs fiables de la descendance commune dans les cas de paternité et en criminalistique (Novick et al. 1993; Novick et al. 1995; Roy-Engel et al. 2001). Plus important encore, dans le cluster α-globine humain, il y a sept éléments Alu, et chacun d'eux est partagé avec les chimpanzés aux sept mêmes emplacements exacts (Sawada et al. 1985).

Plus précisément, trois transpositions de SINE spécifiques différentes ont été trouvées dans les mêmes emplacements chromosomiques des cétacés (baleines), des hippopotames et des ruminants, tous étroitement apparentés selon l'arbre phylogénétique standard. Cependant, tous les autres mammifères, y compris les chameaux et les porcs, manquent de ces trois transpositions spécifiques (Shimamura 1997).

Plus de détails et d'explications sur ce sujet peuvent être trouvés dans le FAQ « Plagiarized Errors and Molecular Genetics FAQ » d'Edward Max Plagiarized Errors and Molecular Genetics FAQ.

Falsification potentielle :

Voyez les deux ci-dessous, car les mêmes principes s'appliquent ici.

Prédiction 4.4 : Preuves moléculaires - Pseudogènes redondants

D'autres exemples moléculaires qui fournissent des preuves d'une ascendance commune sont des séquences d'ADN curieuses appelées pseudogènes. Les pseudogènes sont très étroitement apparentés à des gènes fonctionnels codant pour des protéines. La similitude concerne à la fois la séquence primaire d'ADN et souvent l'emplacement chromosomique spécifique des gènes. Les équivalents fonctionnels des pseudogènes sont des gènes normaux qui sont transcrits en ARNm, qui est à son tour activement traduit en protéine fonctionnelle. En revanche, les pseudogènes possèdent des séquences régulatrices défectueuses qui empêchent le gène d'être transcrit en ARNm, ou ils comportent des codons stop internes qui empêchent la production de la protéine fonctionnelle. En ce sens, les pseudogènes sont des exemples moléculaires de structures vestigiales.

Cependant, les pseudogènes sont inclus ici sous une prédiction séparée car de nombreux pseudogènes sont inhabituels d'une manière supplémentaire. Les vestiges morphologiques ont perdu leur fonction originale, et l'organisme portant le vestige a également perdu cette fonction. En revanche, les pseudogènes ont perdu leur fonction originale, mais l'organisme lui-même peut encore conserver cette fonction s'il porte le contrepartie fonctionnelle de ces pseudogènes. Les pseudogènes qui sont vestiges au sens morphologique, comme le pseudogène de la synthèse de la vitamine C, sont examinés dans la prédiction 2.3. Le type restant de pseudogène, dans lequel un organisme porte à la fois un gène fonctionnel et un ou plusieurs pseudogènes contrepartie, est désormais désigné par le terme « pseudogène redondant ».

La plupart des pseudogènes sont largement non fonctionnels. Il existe plusieurs lignes de preuves qui soutiennent cette conclusion. Premièrement, la présence ou l'absence de la plupart des pseudogènes spécifiques n'a aucun effet mesurable sur le phénotype de l'organisme. Deuxièmement, il existe de bons arguments mécanistiques et génétiques indiquant que les pseudogènes ont peu, voire aucune, fonction. Les pseudogènes possèdent des séquences complexes hautement similaires ou identiques à celles requises pour le bon fonctionnement d'autres protéines enzymatiques ou structurelles. Ces gènes normaux sont activement transcrits et traduits en protéines, tandis que les pseudogènes ne le sont pas, ou les deux. Ainsi, les pseudogènes ne peuvent pas accomplir les fonctions des protéines qu'ils codent. Si les pseudogènes ont une fonction, ils doivent accomplir des fonctions relativement simples pour lesquelles la protéine qu'ils codent n'a pas été conçue.

Troisièmement, si un pseudogène a peu ou pas de fonction, alors la plupart des mutations dans le pseudogène n'auront que des conséquences fonctionnelles mineures, et de nombreuses mutations ne seront pas éliminées par la sélection purificatrice. Par conséquent, nous nous attendons à ce que les pseudogènes véritablement non fonctionnels accumulent des mutations au taux de mutation de fond. Les pseudogènes avec des fonctions mineures accumuleront des mutations à un taux proche du taux de fond. Comme prévu si les pseudogènes ont peu, voire aucune, fonction, la plupart des pseudogènes accumulent des mutations au taux le plus rapide connu pour toute région d'ADN dans les génomes animaux. De plus, le taux de mutation déduit pour les pseudogènes à partir de l'analyse phylogénétique correspond très étroitement aux taux mesurés des mutations spontanées. Pour plus d'informations et de références, consultez Prédiction 5.8.

Quatrièmement et enfin, nous comprenons comment les pseudogènes redondants sont créés, et nous avons observé la création de nouveaux pseudogènes redondants en laboratoire et dans la nature. Les pseudogènes redondants proviennent de la duplication des gènes et des mutations subséquentes. De nombreux processus observés sont connus pour dupliquer des gènes, y compris les événements de transposition, la duplication chromosomique et le croisement inégal des chromosomes.

Ces faits offrent un soutien solide à la conclusion selon laquelle la plupart des pseudogènes ont peu, voire aucune, fonction. Comme les transpositions (voir prédiction 4.3), la création de nouveaux pseudogènes redondants par duplication génique est un événement rare et aléatoire et, bien sûr, tout ADN dupliqué est hérité. Ainsi, trouver le même pseudogène au même emplacement chromosomique chez deux espèces constitue une preuve forte de descendance commune.

Confirmation :

Il existe de nombreux exemples de pseudogènes redondants partagés entre les primates et les humains. L'un est le gène ψ-globine, un pseudogène de l'hémoglobine. Il est partagé exclusivement parmi les primates, à l'emplacement chromosomique exact, avec les mêmes mutations qui détruisent sa fonction de gène codant pour une protéine (Goodman et al. 1989). Un autre exemple est le gène de la stéroïde 21-hydroxylase. Les humains possèdent deux copies du gène de la stéroïde 21-hydroxylase : une fonctionnelle et un pseudogène non traduit. L'inactivation du gène fonctionnel conduit à l'hyperplasie congénitale des surrénales (HCS, une maladie génétique rare et grave), fournissant une preuve positive que le pseudogène de la 21-hydroxylase manque de sa fonction appropriée. Les chimpanzés et les humains partagent la même délétion de huit paires de bases dans ce pseudogène, ce qui le rend incapable de sa fonction normale (Kawaguchi et al. 1992).

Falsification potentielle :

Comme expliqué ci-dessus, les duplications de gènes observées sont des événements rares et aléatoires. Par conséquent, il est extrêmement improbable que d'autres mammifères possèdent les mêmes gènes pseudogènes redondants aux mêmes emplacements chromosomiques, avec les mêmes mutations qui rendent leurs fonctions normales inefficaces. Par exemple, il est essentiellement impossible que les souris portent les pseudogènes de l'hydroxylase 21, au même emplacement génomique, avec la même délétion de huit paires de bases qui détruit leur fonction enzymatique.

De plus, une fois qu'un gène est dupliqué et que des mutations le rendent un pseudogène redondant, il est hérité par tous les descendants. Ainsi, dès lors que certains organismes sont trouvés portant le même pseudogène, la descendance commune exige que tous les organismes phylogénétiquement intermédiaires portent également ce pseudogène. Par exemple, supposons que nous trouvions que les humains et les singes du monde ancien partagent un certain pseudogène redondant. Selon la descendance commune, tous les grands singes (y compris les chimpanzés, les gorilles, les orangs-outans et les siamangs) doivent nécessairement porter ce même pseudogène redondant au même emplacement chromosomique. Cette conclusion repose sur la prémisse qu'il n'existe aucun mécanisme pour éliminer les pseudogènes des génomes (ou que les mécanismes sont très inefficaces). Cela semble être vrai pour les vertébrés, mais certains organismes à générations courtes, tels que les bactéries, les protistes et Drosophila, sont connus pour posséder des mécanismes qui éliminent l'ADN excédentaire.

Notez que cette confirmation et cette potentielle réfutation sont indépendantes du fait qu'un pseudogène spécifique ait une fonction ou soit complètement non fonctionnel, pour les mêmes raisons expliquées dans la prédiction sur les vestiges morphologiques. Comme tout autre élément génétique ou structurel organisme, l'opportunisme évolutif peut prendre un pseudogène et le mettre à contribution pour une nouvelle et différente fonction.

Prédiction 4.5 : Preuves moléculaires - Rétrovirus endogènes

Figure 4.4.1. Insertions de rétrovirus endogènes humains K (HERV-K) dans des emplacements chromosomiques identiques chez divers primates (Reproduit de Lebedev et al. 2000, © 2000, avec la permission d'Elsevier Science).

Les rétrovirus endogènes constituent un autre exemple de preuves de séquences moléculaires en faveur de la descendance commune universelle. Les rétrovirus endogènes sont des vestiges moléculaires d'une infection virale parasitaire passée. Parfois, des copies du génome d'un rétrovirus sont trouvées dans le génome de son hôte, et ces copies de gènes rétroviraux sont appelées séquences rétrovirales endogènes. Les rétrovirus (comme le virus du SIDA ou le HTLV1, qui cause une forme de leucémie) fabriquent une copie d'ADN de leur propre génome viral et l'insèrent dans le génome de leur hôte. Si cela arrive à une cellule de la lignée germinale (c'est-à-dire les cellules spermatozoïdes ou ovaires), l'ADN rétroviral sera hérité par les descendants de l'hôte. Encore une fois, ce processus est rare et assez aléatoire, donc la découverte de rétrogènes dans des positions chromosomiques identiques chez deux espèces différentes indique une origine commune.

Confirmation :

Chez l'humain, les rétrovirus endogènes occupent environ 1 % du génome, constituant au total ~30 000 rétrovirus différents intégrés dans l'ADN génomique de chaque personne (Sverdlov 2000). Il existe au moins sept cas connus d'insertions de rétrogènes communs entre les chimpanzés et les humains, et ce nombre est certain d'augmenter à mesure que les génomes de ces organismes seront séquencés (Bonner et al. 1982; Dangel et al. 1995; Svensson et al. 1995; Kjellman et al. 1999; Lebedev et al. 2000; Sverdlov 2000). Figure 4.4.1 montre un arbre phylogénétique de plusieurs primates, y compris les humains, issu d'une étude récente qui a identifié de nombreux rétrovirus endogènes partagés dans les génomes de ces primates (Lebedev et al. 2000). Les flèches désignent les temps relatifs d'insertion de l'ADN viral dans le génome hôte. Toutes les branches après le point d'insertion (vers la droite) portent cet ADN rétroviral : reflet du fait qu'une fois qu'un rétrovirus s'est inséré dans l'ADN germinale d'un organisme donné, il sera hérité par tous les descendants de cet organisme.

Les Felidae (c'est-à-dire les chats) fournissent un autre exemple. L'arbre phylogénétique standard montre que les petits chats se sont séparés plus tardivement que les grands chats. Les petits chats (par exemple, le chat jungle, le chat sauvage européen, le chat sauvage africain, le chat à pattes noires et le chat domestique) partagent une insertion génique rétrovirale spécifique. En revanche, tous les autres carnivores testés manquent de ce rétro-gène (Futuyma 1998, pp. 293-294 ; Todaro et al. 1975).

Falsification potentielle :

Cela n'aurait aucun sens, du point de vue de la macroévolution, si certains autres mammifères (par exemple, des chiens, des vaches, des ornithorhynques, etc.), possédaient ces mêmes rétrogènes aux mêmes emplacements chromosomiques. Par exemple, il serait incroyablement improbable que les chiens portent également les trois insertions HERV-K qui sont uniques aux humains, comme illustré en haut à droite de la figure 4.4.1, puisque aucun autre primate ne possède ces séquences rétrovirales.

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