Sommaire

• La plupart des mutations ne sont-elles pas nocives ?
• Y a-t-il des mutations favorables ?
• Types de mutations et leurs effets
• Études sur les mutations par Joe Boxhorn
• Notes
• Annexe I - taux de mutation
• Annexe II - Résistance à l'athérosclérose
• Annexe III - Résistance à l'athérosclérose
• Annexe IV - Résistance au VIH
• Références
• Remerciements

Les gens posent souvent des questions telles que « L'évolution ne dépend-elle pas des mutations, et la plupart des mutations ne sont-elles pas nocives ? » et « Y a-t-il des mutations favorables ? ». Dans ce FAQ, nous essayons de répondre à ces questions. En bref :

• Les mutations se produisent.
• Elles se produisent avec une grande régularité.
• Presque toutes les mutations sont neutres.
• Des restantes, l'avantage/inconvénient dépend des circonstances

La biologie est complexe ; le jargon des sciences biologiques est redoutable. Dans ce FAQ, j'ai essayé de répondre aux questions courantes dans un langage simple pour le lecteur non spécialiste. En même temps, j'ai également essayé de fournir des éléments plus approfondis pour le lecteur qui souhaite une substance scientifique.

Q : L'évolution ne dépend-elle pas des mutations et la plupart des mutations ne sont-elles pas nocives ?

R : Non. La plupart des mutations sont ni nuisibles ni bénéfiques.

C'est la réponse courte. La réponse longue est que les mutations peuvent être neutres (ni bénéfiques ni nuisibles), strictement nuisibles, strictement bénéfiques, ou (et c'est important) qu'il dépende de l'environnement si elles sont nuisibles ou bénéfiques. La plupart des mutations sont soit neutres, soit leur effet dépend de l'environnement. Examinons un exemple de mutation qui peut être nuisible ou bénéfique, selon les circonstances.

Les papillons de nuit du genre Biston en Angleterre existent en deux variétés, clairs et sombres. Avant la révolution industrielle, les papillons sombres étaient très rares. Pendant les pires années de la révolution industrielle, lorsque l'air était très chargé de suie, les papillons sombres sont devenus très communs. Ces dernières années, depuis les efforts majeurs pour améliorer la qualité de l'air, les papillons clairs remplacent les papillons sombres. Un célèbre article de H.B.D. Kettlewell propose l'explication suivante pour ce phénomène :

Les oiseaux mangent le type de papillon qu'ils peuvent voir le mieux.

En Angleterre avant la Révolution industrielle, les arbres sont souvent couverts de lichens de couleur claire. En conséquence, les papillons clairs étaient favorisés car ils étaient difficiles à voir sur l'écorce des arbres, tandis que les papillons sombres étaient faciles à voir ; les oiseaux mangeaient les papillons sombres. Pendant les pires années de la Révolution industrielle, l'air était très chargé de suie, de sorte que l'écorce des arbres était sombre à cause de la suie. Les papillons sombres étaient difficiles à voir, tandis que les papillons clairs étaient faciles à voir ; les oiseaux mangeaient les papillons clairs. En conséquence, les papillons sombres sont devenus communs et les papillons clairs sont devenus rares.

Malgré les critiques créationnistes, cette explication a résisté à l'épreuve du temps. Avant la Révolution industrielle, une mutation qui transformait les papillons clairs en papillons sombres était une mutation défavorable (nuisible), alors que durant les années sombres, elle était une mutation favorable (utile).

Pour comprendre pourquoi la plupart des mutations sont ni nocives ni bénéfiques, il est utile de savoir un peu ce que sont réellement les mutations. Une mutation est une modification du matériel génétique qui contrôle l'hérédité. Le matériel génétique est contenu dans les chromosomes. Les plantes et les animaux possèdent deux copies de chaque chromosome, tandis que les bactéries n'en ont qu'une seule. Les organismes qui possèdent deux copies de chaque chromosome sont appelés diploïdes. Ceux qui n'en ont qu'une seule sont appelés haploïdes.

Les chromosomes sont divisés en gènes, chaque gène étant un segment d'ADN, c'est-à-dire une séquence de nucléotides (A, G, C, T pour faire court). L'emplacement d'un gène est appelé un locus. (La position d'un nucléotide au sein d'un gène est appelée un site. Ne confondez pas locus et site.) À un locus donné, vous pouvez constater que la séquence d'ADN est légèrement différente d'un individu à l'autre. Ces variations sont généralement connues sous le nom d'allèles différents, bien que parfois elles soient confusément appelées différents gènes. Appelons-les allèles différents afin de ne pas nous embrouiller ; de plus, c'est le terme standard.

Si nous examinons les populations d'animaux et de plantes, nous constatons qu'il existe plusieurs allèles pour 10 à 20 % des gènes. En d'autres termes, si nous examinons un locus donné chez tous les membres d'une population, nous trouverons plus d'une séquence à ce locus dans environ 10 à 20 % des cas. Il peut y avoir plus de deux allèles au sein d'une population pour un locus génétique donné.

Nos pyrales du bouleau possèdent un gène qui contrôle si le papillon est clair ou foncé.[1] Puisque les papillons sont des diploïdes, chaque papillon possède deux copies du gène. Si les deux copies d'un gène donné sont le même allèle, on dit que le papillon est homozygote pour ce gène. Si les deux copies sont des allèles différents, on dit que le papillon est hétérozygote pour ce gène. Si les deux allèles sont identiques, le papillon sera clair ou foncé, selon l'allèle qu'il possède. Les gens disent parfois « quel gène il possède », mais cela est confus car cela mélange les gènes et les allèles. Si un papillon possède deux allèles différents (c'est-à-dire s'il est hétérozygote), la teinte dépend de l'allèle dominant. Dans le cas des pyrales du bouleau, le foncé est dominant, c'est-à-dire qu'un hétérozygote sera foncé plutôt que clair.

Passons maintenant à la manière dont un gène peut changer, c'est-à-dire comment un allèle peut se transformer en un autre. Il existe plusieurs façons dont cela peut se produire. Nous pouvons obtenir une mutation ponctuelle, un nucléotide étant remplacé par un autre. Une section peut être inversée. Une section peut être excisée. Une section peut être insérée. Ou bien l'ensemble du gène peut être dupliqué. Consultez la section suivante section pour une description plus complète des différents types de mutations et de leurs effets.

Quelles sont les conséquences lorsque l'une de ces choses se produit ? La plupart du temps, le changement n'a aucun effet perceptible ou il est fatal. Les gènes codants se transcrivent en protéines grâce au code génétique. Le code génétique est redondant (le terme technique est dégénéré), c'est-à-dire que différents triplets de nucléotides produisent le même acide aminé. En raison de cette redondance, une mutation ponctuelle peut n'avoir aucun effet sur la protéine codée ; on les appelle des mutations silencieuses. Si la séquence est altérée par un élagage ou un échange, le résultat est probablement fatal car la séquence codante [la lecture en termes de triplets] sera perturbée. Cependant, ce n'est pas toujours le cas, car il existe des processus qui élaguent et insèrent des sections d'ADN dans les gènes d'une manière qui ne perturbe pas la séquence codante.

Supposons que nous ayons l'une de ces mutations qui n'est pas mortelle mais qui n'est pas non plus silencieuse. Ce qui se produit ensuite est que nous obtenons une protéine légèrement différente. La plupart du temps, la nouvelle protéine fonctionne presque exactement comme l'ancienne protéine : elle catalyse les mêmes réactions. Parfois, ses capacités fonctionnelles changent ; elle catalyse désormais une réaction différente. Lorsque cela se produit, il peut exister une autre protéine qui gère également la tâche originale ; dans ce cas, nous avons ajouté une capacité. S'il n'en existait pas, nous avons perdu la capacité originale et l'avons remplacée par une nouvelle. Les modifications des enzymes (protéines qui catalysent les réactions) sont rarement une proposition tout ou rien.[3]

La duplication des gènes est importante car c'est un moyen d'obtenir de nouveaux gènes. Une fois qu'un gène a été dupliqué, une copie peut changer tandis que l'autre reste identique.

Les gènes varient considérablement en ce qui concerne la mesure dans laquelle ils peuvent être modifiés sans que ces modifications ne nuisent à l'organisme. Certains gènes, tels que ceux qui codent le métabolisme de base et les composants de la machinerie de réplication, de transcription et de traduction, sont difficiles à modifier sans causer de dommages. Nous observons très peu de variation entre eux d'un organisme à l'autre. De tels gènes sont dits conservés.

« Quel est le résultat net, » pourriez-vous demander. Certaines mutations sont mortelles ou très néfastes. Ces mutations sont éliminées immédiatement. Certaines sont silencieuses et n'ont pas d'effet. Parfois, une mutation est clairement avantageuse ; c'est rare, mais cela arrive. Presque toutes les mutations qui ne sont ni silencieuses ni éliminées immédiatement sont ni complètement avantageuses ni délétères. La mutation produit une protéine légèrement différente, et la cellule et l'organisme vivant fonctionnent légèrement différemment. Si la mutation est bénéfique ou nuisible dépend de l'environnement ; elle peut être l'une ou l'autre.

Si vous y réfléchissez, la vie doit fonctionner ainsi : les mutations (changements dans le matériel génétique) se produisent en permanence. Un être humain moyen a environ 50 à 100 mutations, dont environ 3 sont importantes, c'est-à-dire qu'elles modifient réellement une protéine. Si la mutation typique était délétère, la vie s'éteindrait rapidement. [4]

Même si la plupart des mutations ne sont ni uniformément bénéfiques ni nuisibles, elles peuvent être soit bénéfiques, soit nuisibles dans un environnement donné. Les environnements changent toujours, et chaque membre d'une population vit dans un environnement légèrement différent de celui des autres membres. Certains organismes survivent ; d'autres non. Certains se reproduisent ; d'autres non. Les allèles de ceux qui survivent et se reproduisent sont transmis. Toute différence chez l'organisme qui est favorable par rapport à l'environnement prospérera.

Il est important de réaliser que les mutations ne surviennent pas en réponse à l'environnement. Elles se produisent simplement. Très souvent, une mutation apparaît au sein d'une population puis disparaît parce que l'organisme n'a pas eu de descendance ou n'a pas, par hasard, transmis la mutation à sa descendance ; cela peut arriver même si la mutation est bénéfique. Parfois, une mutation s'établit au sein d'une population par hasard, même si elle n'offre aucun avantage ; on appelle cela la dérive génétique. [8]

Il est également important de réaliser que les mutations ne se produisent pas une seule fois. Elles se produisent rarement, mais elles se répètent sans cesse au sein d'une espèce. En effet, une mutation obtient plus d'une chance de réussir ; si elle ne prend pas au premier coup, elle obtient une nouvelle occasion.[9]

Q : Y a-t-il des mutations favorables ?

R : Oui, mais il peut être difficile de le déterminer.

Pour diverses raisons, il n'est pas simple de fournir des exemples de mutations favorables. Tout d'abord, comme nous l'avons vu, les traits [6] peuvent être favorables ou défavorables, selon l'environnement. Deuxièmement, il n'est généralement pas connu dans quelle mesure un trait est génétiquement fixé et dans quelle mesure il reflète une réaction à l'environnement. Troisièmement, nous ne connaissons généralement pas quels gènes affectent quels traits. De plus, une mutation peut être favorable au sens où elle permet la survie dans un environnement défavorable, tout en étant défavorable dans un environnement plus favorable.

Néanmoins, il existe de nombreux exemples convaincants :

1. Résistance aux antibiotiques chez les bactéries

   À l'époque moderne, les antibiotiques, des médicaments qui ciblent des caractéristiques spécifiques des bactéries, sont devenus très populaires. Les bactéries évoluent très rapidement, il n'est donc pas surprenant qu'elles aient évolué une résistance aux antibiotiques. De manière générale, cela implique de modifier les caractéristiques que les antibiotiques ciblent.

   Fréquemment, mais pas toujours, ces mutations diminuent la fitness des bactéries, c'est-à-dire que dans des environnements où les antibiotiques ne sont pas présents, elles ne se reproduisent pas aussi rapidement que les bactéries sans la mutation. Ce n'est pas toujours vrai ; certaines de ces mutations n'impliquent aucune perte de fitness. De plus, il existe souvent des mutations secondaires qui restaurent la fitness.

   Les bactéries sont faciles à étudier. C'est un avantage dans les études évolutives car nous pouvons observer l'évolution se produire en laboratoire. Il existe une expérience standard dans laquelle l'expérimentateur commence avec une seule bactérie et la laisse se reproduire dans un environnement contrôlé. Puisque les bactéries se reproduisent de manière asexuée, tous ses descendants sont des clones. Puisque la reproduction n'est pas parfaite, des mutations surviennent. L'expérimentateur peut configurer l'environnement de manière à ce que des mutations pour un attribut particulier soient sélectionnées. L'expérimentateur sait à la fois que la mutation n'était pas présente à l'origine et, par conséquent, quand elle s'est produite.

   Dans la nature, il est généralement impossible de déterminer quand une mutation s'est produite. Habituellement, tout ce que nous savons (et souvent nous ne savons même pas cela) est la distribution actuelle de caractéristiques particulières.

   La situation avec les insectes et les pesticides est similaire à celle des bactéries et des antibiotiques. Les pesticides sont largement utilisés pour tuer les insectes. En retour, les insectes évoluent rapidement de manière à devenir immunisés contre les pesticides.

2. Bactéries qui mangent du nylon

   Bon, non, elles ne mangent pas réellement du nylon ; elles consomment de courtes molécules (oligomères de nylon) présentes dans les eaux usées des plantes qui produisent du nylon. Elles métabolisent les oligomères de nylon courts, en rompant les liaisons du nylon grâce à quelques enzymes apparentées. Puisque les liaisons concernées ne se trouvent pas dans les produits naturels, les enzymes doivent être apparues depuis l'invention du nylon (vers les années 1940). Il semble que cela se soit produit par de nouvelles mutations durant cette période.

   Ces enzymes qui dégradent les oligomères de nylon semblent être apparues par mutation par décalage de trame à partir d'un autre gène codant pour une enzyme fonctionnellement non apparentée. Cette adaptation a été expérimentalement reproduite. Dans les expériences, des souches de Pseudomonas non métabolisant le nylon ont été cultivées dans un milieu avec des oligomères de nylon disponibles comme source alimentaire principale. En un nombre relativement faible de générations, elles ont développé ces activités enzymatiques. Cela semble être un exemple d'occurrence documentée de mutations bénéfiques en laboratoire.

3. Résistance à la paludisme par la drépanocytose

   L'allèle de la drépanocytose fait que les globules rouges, normalement ronds, prennent une forme en faucille. L'effet de cet allèle dépend du fait qu'une personne possède une ou deux copies de l'allèle. Il est généralement fatal si une personne possède deux copies. Si elle en possède une, elle a des globules rouges en forme de faucille.

   En général, c'est une mutation indésirable car les globules en faucille sont moins efficaces que les cellules normales. Dans les régions où le paludisme est répandu, il s'avère favorable car les personnes ayant des globules rouges en forme de faucille sont moins susceptibles de contracter le paludisme par les moustiques.

   Ceci est un exemple où une mutation diminue l'efficacité normale du corps (sa valeur sélective dans un sens) mais offre néanmoins un avantage relatif.

4. Tolérance au lactose

   L'intolérance au lactose chez les mammifères adultes a une explication évolutive claire ; l'apparition de l'intolérance au lactose facilite le sevrage des jeunes. Les êtres humains, en revanche, ont adopté l'habitude de consommer des produits laitiers. Ce n'est pas universel ; c'est quelque chose qui est apparu dans des cultures qui élevaient des bovins et des chèvres. Dans ces cultures, la tolérance au lactose avait une forte valeur sélective. Dans le monde moderne, il existe une forte corrélation entre la tolérance au lactose et le fait d'avoir des ancêtres qui vivaient dans des cultures qui exploitaient le lait comme nourriture.

   Il faut comprendre qu'il s'agissait d'une question de chance que la mutation de la tolérance au lactose apparaisse dans un groupe où elle était avantageuse. Elle aurait pu être établie d'abord par la dérive génétique au sein d'un groupe qui a ensuite découvert qu'il pouvait utiliser le lait. [9]

5. Résistance à l'athérosclérose

   L'athérosclérose est principalement une maladie de l'ère moderne, produite par les régimes modernes et les modes de vie modernes. Il existe une communauté en Italie près de Milan (voir Appendices II et III pour les détails biologiques) dont les habitants ne souffrent pas d'athérosclérose en raison d'une mutation heureuse survenue chez l'un de leurs ancêtres. Cette mutation est particulièrement intéressante car la personne qui a eu la mutation originale a été identifiée.

   Notez qu'il s'agit d'une mutation favorable à l'époque moderne car (a) les gens vivent plus longtemps et (b) les gens ont des régimes et des modes de vie qui ne ressemblent pas à ceux de nos ancêtres. À l'époque préhistorique, ce ne serait pas une mutation favorable. Même aujourd'hui, nous ne pouvons pas être certains que cette mutation soit favorable sur le plan reproductif, c'est-à-dire que les personnes ayant cette mutation auront plus que le nombre moyen de descendants. Il est clair, cependant, que la mutation est avantageuse sur le plan personnel pour les individus qui la possèdent.

6. Immunité au VIH

   Le VIH infecte plusieurs types de cellules, notamment les lymphocytes T, les macrophages, les cellules dendritiques et les neurones. Le SIDA survient lorsque les lymphocytes, en particulier les lymphocytes T CD4+, sont détruits, laissant le patient incapable de combattre les infections opportunistes. Le virus du VIH doit se fixer à des molécules exprimées à la surface des lymphocytes T. L'une de ces molécules est appelée CD4 (ou récepteur CD4) ; une autre est le récepteur 5 des chimiokines C-C, connu sous divers noms : CCR5, CCCKR5 et CKR5. Certaines personnes portent un allèle mutant du gène CCR5 qui entraîne l'absence d'expression de cette protéine à la surface des lymphocytes T. Les individus homozygotes sont résistants à l'infection par le VIH et au SIDA. La fréquence de l'allèle mutant est assez élevée dans certaines populations qui n'ont jamais été exposées au SIDA, ce qui semble indiquer qu'il y a eu une sélection antérieure pour cet allèle. (Voir Annexe IV)

   Pour une description de la littérature récente, consultez le site OMIM pour le CCR5.

Types de mutations et leurs effets

Les mutations sont des modifications du génome (constitution génétique). Il existe de nombreuses façons dont les mutations peuvent survenir. Elles diffèrent également par la manière dont elles impactent l'évolution.

Les mutations qui surviennent lorsque le génome est copié pendant la reproduction sont appelées mutations de transfert vertical. Elles sont nommées ainsi car elles sont transmises des ancêtres aux descendants le long des lignées de descendance verticales. Dans les travaux originaux sur la génétique des populations, il était supposé que toutes les mutations étaient des mutations de transfert vertical.

Les mutations par transfert horizontal se produisent lorsque l'ADN est transféré d'un organisme à un autre. Le transfert horizontal peut être une source majeure de nouveautés évolutives. Il est important car de nouveaux gènes peuvent être propagés beaucoup plus rapidement par transfert horizontal que par transfert vertical. Si l'évolution est représentée par un arbre, le mouvement génétique vertical correspond à la transmission des gènes le long des branches ; le mouvement génétique horizontal correspond à la transmission des gènes entre les branches.

Les mutations de transfert intra-organismique se produisent lorsque des gènes ou des parties de gènes se déplacent à l'intérieur d'un organisme.

À proprement parler, les hybrides (accouplement entre espèces) ne sont pas des mutants. Dans de nombreux groupes d'espèces, en particulier parmi les plantes, des gènes sont transférés d'une espèce à une autre via des hybrides.

Types de mutations :

1. Mutations ponctuelles

   Le type d'erreur de copie le plus courant est la mutation ponctuelle. Dans cette forme de mutation, le nucléotide à un site donné est remplacé par un nucléotide différent. Lorsque les gens parlent de taux de mutation, ils parlent généralement des taux de mutations ponctuelles.

   Effets des mutations ponctuelles : Les mutations ponctuelles dans l'ADN « poubelle » sont courantes mais n'ont aucun effet. Parfois, les mutations ponctuelles dans les régions régulatrices n'ont aucun effet et parfois elles modifient l'expression de certains gènes.

2. Insertions et délétions

   Lors de la copie, un segment d'ADN peut être supprimé ou un nouveau segment peut être inséré. Typiquement, cela se produit à la suite d'une rupture ou d'un réalignement chromosomique. (Voir ci-dessous.) Les insertions et les délétions peuvent également être produites par certains types de transfert horizontal.

   Effets des insertions et des délétions : Si la longueur du nouveau segment ou du segment supprimé n'est pas un multiple de trois, la traduction sera déformée après le point où l'insertion/délétion s'est produite car le cadre de lecture est désormais désaligné. On appelle cela une mutation de décalage de cadre. Dans certains gènes, il existe des segments qui peuvent être dupliqués en bloc. On appelle cela une duplication en tandem.

3. Duplication chromosomique

   Parfois, un ou plusieurs chromosomes sont dupliqués lors de la reproduction ; la descendance reçoit des copies supplémentaires de ces chromosomes.

   Effets de la duplication chromosomique : Dupliquer un seul chromosome est généralement désavantageux ; un exemple chez l'humain est le syndrome de Down. Avoir plusieurs copies de tous les chromosomes est connu sous le nom de polyploïdie. La polyploïdie est rare chez les champignons et les animaux (bien qu'elle se produise) et est courante chez les plantes. Il a été estimé que 20-50 % de toutes les espèces végétales proviennent de la polyploïdie.

   La duplication de gènes est très courante ; elle est importante car elle fournit un moyen d'évoluer de nouvelles capacités tout en conservant les anciennes capacités. Toutes les étapes intermédiaires peuvent être trouvées dans la nature, d'un seul gène avec des allèles alternatifs à des gènes dupliqués presque identiques avec des allèles fonctionnels légèrement différents jusqu'à des familles de gènes de gènes évolutivement apparentés avec des fonctionnalités différentes.

4. Rupture et réalignement chromosomiques

   Lors de la reproduction, un chromosome peut se briser en deux morceaux ou deux chromosomes peuvent être joints ensemble. Une section peut être déplacée d'une partie du chromosome à une autre ou peut être inversée dans son orientation. C'est le mécanisme par lequel les délétions, les duplications et les transpositions peuvent se produire.

   Effets de la rupture et du réalignement chromosomiques : Très souvent, ces types de changements n'affectent pas la viabilité de l'organisme (les gènes sont toujours là ; ils sont simplement à des endroits différents), mais, chez les espèces se reproduisant sexuellement, ils peuvent rendre moins probable que l'organisme produise une descendance viable et fertile.

5. Rétrovirus

   Certains virus ont la capacité d'insérer une copie d'eux-mêmes dans le génome d'un hôte. La substance chimique qui rend cela possible (la transcriptase inverse) est largement utilisée en génie génétique.

   Effets des rétrovirus : Habituellement, c'est un moyen pour le virus d'obtenir de l'hôte qu'il fasse le travail de reproduction du virus. Parfois, cependant, le gène inséré mute et devient une partie permanente du génome de l'organisme hôte. Selon la position de l'ADN viral dans le génome de l'hôte, des gènes peuvent être perturbés ou leur expression modifiée. Lorsque des insertions se produisent dans la lignée germinale des organismes multicellulaires, elles peuvent être transmises verticalement.

6. Plasmides

   Les plasmides sont de petits morceaux d'ADN circulaire qui sont transmis d'une bactérie à une bactérie. Les plasmides peuvent être transférés au-delà des limites des espèces.

   Effets du transfert de plasmides : Le transfert de plasmides est un moyen important de propager des gènes utiles tels que ceux qui confèrent une résistance aux antibiotiques. Le transfert de plasmides est un exemple de transfert horizontal.

7. Échange d'ADN bactérien

   Les bactéries peuvent échanger de l'ADN directement. Elles le font souvent en réponse à un stress environnemental.

   Effets de l'échange d'ADN bactérien : L'échange est souvent fatal pour l'une ou les deux bactéries impliquées. Parfois, cependant, l'un ou les deux partenaires acquièrent des gènes qui sont essentiels pour l'environnement actuel.

8. Transfert de niveau supérieur

   Certains parasites peuvent récupérer du matériel génétique d'un organisme et le transporter vers le suivant. Cela a été observé chez les mouches des fruits dans la nature.

   Effets du transfert de niveau supérieur : Lorsque cela se produit, de nouveaux allèles peuvent se propager beaucoup plus rapidement au sein d'une espèce qu'ils ne le feraient pour un flux génique ordinaire.

9. Transfert symbiotique

   Lorsque deux organismes existent dans une relation symbiotique étroite, l'un peut « voler » des gènes de l'autre. L'exemple le plus notable de cela sont les mitochondries. Chez la plupart des organismes avec des mitochondries, la plupart des gènes mitochondriaux originaux se sont déplacés des mitochondries vers le génome nucléaire.

   Effets du transfert symbiotique : Un effet majeur est que la relation symbiotique change d'optionnelle à obligatoire.

10. Transposons

    Les transposons sont des gènes qui peuvent se déplacer d'un endroit du génome à un autre.

    Effets des transposons : Selon la position d'insertion, les transposons peuvent perturber ou modifier l'expression des gènes de l'hôte. Chez certaines espèces, la plupart des mutations sont dues à l'insertion de transposons. Par exemple, chez Drosophila, 50-85 % des mutations sont dues à des insertions de transposons.

Études sur les mutations

Des travaux expérimentaux sur des bactéries, des micro-organismes eucaryotes et de très petits animaux peuvent nous en apprendre beaucoup sur l'occurrence et les propriétés des mutations, y compris les mutations bénéfiques. Au cours des cinquante dernières années environ, des mutations bénéfiques ont été observées dans de nombreuses études.

La plupart de ces expériences ont été réalisées dans un système de culture continue appelé chimiostat. Les chimiostats sont utilisés depuis cinquante ans dans l'étude de la physiologie, de la biologie des populations et de l'écologie des bactéries et d'une variété d'autres petits organismes. Ils sont également largement utilisés dans la production commerciale de substances produites par des micro-organismes. Un chimiostat consiste en une bouteille dans laquelle les organismes se développent. Le milieu de culture (c'est-à-dire la nourriture) est continuellement pompé dans la bouteille et les produits de déchets, le milieu résiduel et les organismes s'écoulent. Le contenu de la bouteille est bien mélangé de sorte que chaque créature dans le chimiostat ait une chance égale d'accéder à chaque morceau de nourriture. Les facteurs qui affectent la croissance des organismes, tels que la température, sont contrôlés, parfois très rigoureusement. Plusieurs variantes de chimiostats ont été développées. Elles seront décrites lorsqu'elles deviendront pertinentes.

Les chimiostats possèdent plusieurs propriétés qui les rendent utiles pour la recherche biologique. Au fil du temps, les organismes dans le système atteignent un état stationnaire dans lequel la croissance des organismes est égale à la quantité d'organismes sortant de la bouteille. À cet état stationnaire, la concentration des organismes, mesurée en biomasse, reste très stable, tout comme la concentration du nutriment résiduel (non utilisé). Les nombres peuvent varier quelque peu en raison des changements de taille des individus. Il est important de noter que lorsque le système est en état stationnaire, les organismes croissent de manière exponentielle, leur taux de croissance étant égal au taux de dilution (débit du milieu/volume de la bouteille) du système. Le temps moyen qu'un organisme reste dans le chimiostat est l'inverse du taux de dilution. Ces organismes sont également en état stationnaire sur le plan physiologique. Les densités de population des organismes cultivés dans ces systèmes de culture continue peuvent être très élevées. Pour une bactérie à croissance rapide comme E. coli, des densités de 3 × 10⁸ par ml sont facilement atteignables. De même, les petites algues eucaryotes telles que Chlorella vulgaris peuvent être facilement cultivées à des densités de 3 × 10⁷ par ml. Des densités de l'ordre de 10⁵ - 10⁶ par ml sont atteignables pour de nombreux eucaryotes unicellulaires et coloniaux plus grands. Les implications de cela pour l'étude des mutations sont importantes. En supposant des taux de mutation raisonnables et des tailles de génome, il est virtuellement certain qu'une culture de ce type, maintenue en état stationnaire pendant n'importe quelle durée, contiendra certains individus mutants. Cela s'applique même lorsque la culture est inoculée avec une souve dérivée d'un seul individu d'une espèce obligatoirement asexuée. Si, par exemple, nous supposons les caractéristiques suivantes pour un chimiostat d'E. coli contenant des cellules identiques :

Nous devrions observer la production de 7,5 × 10⁶ gènes mutants en une journée. Je noterai que les E. coli en chimostat fonctionnent généralement à des taux de dilution beaucoup plus rapides que cela. Une autre propriété de ce type de système est que lorsque les organismes dans un chimostat varient en termes de taux de croissance, la proportion des formes à croissance plus rapide dans la population tend à augmenter aux dépens de celles à croissance plus lente. Enfin, les modèles mathématiques décrivant la croissance des bactéries et des algues unicellulaires dans ces systèmes sont relativement bien compris et fonctionnent assez bien lorsqu'ils sont comparés aux données (voir, par exemple, Herbert et al. 1956, Kubitschek 1970, Pirt 1975). Ces modèles ne fonctionnent pas aussi bien pour prédire la dynamique lorsque des organismes plus grands avec des cycles de vie plus complexes sont cultivés en chimostat.

Une réinterprétation par Kubitschek (1974) des travaux de Novick et Szilard (1956) suggère que l'argument ci-dessus était raisonnable. Dans cette étude, la résistance à un virus bactérien a été utilisée comme marqueur pour suivre l'apparition de certaines mutations dans une culture en chemostat. Novick et Szilard ont cultivé E. coli dans un chemostat à une densité d'état stationnaire d'environ 3 × 10⁸ cellules par ml. Périodiquement, ils ont analysé des cellules prélevées dans le chemostat pour leur résistance à l'infection par le bactériophage T5 et ont calculé la densité des cellules résistantes au T5 dans la culture. À aucun moment le bactériophage T5 n'était présent dans le chemostat, ni les cellules du chemostat n'avaient été exposées au bactériophage T5. Ils ont trouvé qu'il y avait toujours une fraction de cellules dans la culture qui était résistante au T5. La densité des cellules résistantes fluctuait entre 10² et 10³ par ml. Elle suivait un schéma semblable à celui dessiné ci-dessous :

Passer le graphique
  2 000 par ml
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(Note : ce n'est pas le graphique réel. Il montre le schéma des changements que le système a subis. Pour le graphique réel, voir Kubitschek 1974.) Les augmentations et diminutions reflètent l'apparition de mutations au sein des souches dans le chimiostat. L'augmentation initiale de la fréquence des cellules résistantes se produit parce qu'une mutation survient au sein d'une souche résistante au T5 qui la rend (et ses descendants) les cellules qui se développent le plus rapidement dans la culture. Tant que cette souche reste la plus rapide, sa représentation dans la population augmentera. Finalement, une mutation favorable différente survient dans une cellule sensible au T5 qui la rend (et ses descendants) les cellules qui se développent le plus rapidement dans la culture. Cela entraîne une baisse de la fréquence de la résistance au T5. Plus tard, une mutation différente survient dans une souche résistante au T5 qui la rend la souche qui se développe le plus rapidement. Sa fréquence augmente, et ainsi de suite.

Il est important de noter ici que dans cet environnement, la sensibilité et la résistance à l'infection par le T5 sont des traits neutres. Puisqu'il n'y a pas de T5 dans l'environnement, la résistance ne procure pas d'avantage. Mais elle ne semble pas non plus procurer beaucoup d'inconvénient. Si elle procurait un inconvénient, les cellules résistantes seraient éliminées du bioreacteur. Dans cet environnement, elles sont neutres sur le plan de la sélection. Des mutations dans d'autres gènes font que certaines cellules ont un taux de croissance plus élevé. Il s'agit simplement de savoir si ces mutations surviennent d'abord dans des cellules résistantes ou sensibles qui détermine si la fréquence des cellules résistantes au T5 augmente ou diminue. C'est un effet de passage clandestin - le gène de résistance au T5 se contente de voyager avec les gènes causant les fluctuations.

À présent, dans un environnement différent, la valeur de la mutation produisant une résistance à l'infection par un virus pourrait avoir une valeur totalement différente. Chao et al. (1977) ont cultivé des souches de type sauvage d'E. coli B dans un chemostat. Une fois que le récipient a atteint l'état stationnaire, ils l'ont inoculé avec le bactériophage T7. Les bactéries sont sensibles à l'infection par le T7. Inutile de dire que le T7 a proliféré de manière effrénée sur les bactéries. Après un court temps, cependant, une mutation imputable à un seul gène est apparue sur un site de récepteur de la surface cellulaire, conférant aux bactéries une résistance complète au T7. Cette souche bactérienne a été désignée B1. Peu de temps après, une mutation s'est produite chez le virus, lui permettant d'infecter la souche B1 (souche T7.1). Une seconde mutation s'est produite chez la B1, la rendant résistante à cette seconde souche virale ainsi qu'à la souche virale originale (souche B2). Toutes ces cinq entités ont heureusement coexisté dans le même chemostat.

Or, si ces mutations étaient favorables ou nuisibles dépend de l'environnement dans lequel les organismes ont été placés. Dans un environnement contenant T7, E. coli B1 ou E. coli B2 pouvaient survivre tandis que E. coli B souffrait d'une mortalité considérable. Mais les souches mutantes ont payé un prix. Elles n'étaient pas aussi rapides à absorber les nutriments que le type sauvage et, par conséquent, ne pouvaient pas grandir aussi rapidement. Dans des expériences de compétition dans des environnements exempts de phages, E. coli B l'emportait à chaque fois. Ainsi, si une mutation conférant une résistance à T7 est bénéfique dépend de :

1. si le T7 est présent dans l'environnement, et
2. si ce n'est pas le cas, si des congénères sensibles sont présents.

Il existe un travail considérable sur la résistance des bactéries aux bactériophages qui soutient cela. Une partie de ces travaux est revue dans Lenski (1987).

La présence d'un prédateur dans un système de culture continue peut exercer une sélection forte sur les organismes cultivés. Lorsque des mutations apparaissent chez la proie et confèrent une résistance à la prédation, elles peuvent se propager très rapidement dans le chimiostat -- en temps réel ! Cela a été observé dans de nombreuses études dont les résultats sont rapportés dans la littérature sur la culture continue.

Shikano et al. (1990) ont observé un changement morphologique majeur chez une bactérie à gram négatif non identifiée lorsqu'elle a été cultivée en culture semicontinue avec un prédateur. La culture semicontinue est une technique de culture où les organismes sont élevés dans un flacon mélangé. Périodiquement, un volume défini de milieu et d'organismes est retiré et remplacé par un milieu frais. Ce type de système atteint un état quasi-stationnaire similaire à l'état stationnaire trouvé dans un chimiostat. Dans cette étude, une bactérie en forme de bâtonnet amotile et courte (1,5 micromètre) a été cultivée avec le prédateur cilié Cyclidium. Les transferts de milieu ont eu lieu tous les sept jours. Après 8 à 10 transferts, des cellules bactériennes longues (jusqu'à 20 micromètres) sont apparues dans les cultures contenant le cilié. Ces cellules manquaient de cloisons transversales. Elles coexistaient avec une morphologie plus courte. Après l'apparition de la forme longue, la densité de ciliés dans les flacons expérimentaux a diminué. Des expériences d'alimentation ont montré que les ciliés se nourrissaient préférentiellement des cellules plus courtes.

Pour vérifier si le changement observé chez la bactérie constituait un changement génétique, Shikano et al. (1990) ont examiné les distributions de tailles des cellules dans 30 colonies issues d'un erlenmeyer expérimental. La distribution de fréquence des tailles des cellules courtes dans les erlenmeyers était indistinguable de celles des témoins et de la souche parentale. En revanche, la distribution de fréquence des tailles des cellules longues était nettement plus large. Le fait que les colonies filles issues de colonies de cellules longues présentent la même distribution de longueurs de cellules que les colonies de cellules longues provenant des erlenmeyers expérimentaux suggère que ce changement morphologique reflète un changement génétique.

La sélection en faveur de formes filamentaires par un prédateur phagotrophe semble être courante chez les bactéries. Pernthaler et al. (1997) ont rapporté l'apparition d'une forme filamentaire d'un membre non identifié des bêta-protéobactéries lorsque le flagellé prédateur Bodo saltans a été ajouté à un chemostat cultivant un assemblage bactérien mixte. Des filaments similaires ont été observés lors de la culture de E. coli dans un chemostat avec le flagellé prédateur Poterioochromonas malhamensis (Gillott et al. 1993). En environ 5 jours, des filaments non cloisonnés d'une longueur de 100 micromètres sont apparus. Beaucoup étaient si longs que le flagellé ne pouvait pas les ingérer complètement. (Note : j'ai effectué des travaux d'étude sur l'alimentation avec cette souche. J'ai des vidéos de flagellés tentant d'engloutir un long filament, poussant le filament à travers lui-même jusqu'à ce que l'ensemble ressemble à une galère sur une tige de millepertuis, et enfin poussant le filament hors de lui-même comme une flèche tirée d'un arc.) E. coli est connu pour produire des filaments de ce type en conséquence d'une exposition prolongée aux rayonnements ou aux agents chimiques (Deering 1958, Curry et Greenberg 1962, Hoffman et Frank 1963, Adler et Hardigree 1964). Le mécanisme semble être une mutation dans la formation des cloisons (Begg et Donachie 1985).

Nakajima et Kurihara (1994) ont produit une mutation favorable différente chez E. coli. Ils ont cultivé les bactéries dans un chimiostat avec le cilié prédateur Tetrahymena thermophila. En moins de 15 jours après l'inoculation des ciliés, des chaînes de cellules de E. coli de taille normale sont apparues. Ce changement morphologique a persisté lors de plusieurs étalements sur agar. Encore une fois, la nouvelle forme offre une protection contre la prédation.

Van den Ende (1973) introduit le prédateur cilié Tetrahymena pyriformis dans un chemostat contenant la bactérie Klebsiella aerogenes en croissance à l'état stationnaire. Pendant la période allant de 140 à 200 heures suivant l'inoculation avec le prédateur, la morphologie de la colonie bactérienne a changé d'une apparence mucoide normale à une apparence vitreuse. Cela reflète une perte de la capsule mucoide de la bactérie. Les bactéries ont commencé à adhérer aux parois du récipient de culture à ce moment-là. Aucune croissance sur les parois n'a été observée dans les témoins. Le changement morphologique semble être une adaptation qui permet aux bactéries d'utiliser la paroi comme refuge contre la prédation. Cela est soutenu par un changement que van den Ende a observé dans la distribution de taille des ciliés. À l'inoculation, les ciliés présentaient une distribution de longueurs allant de 40 à 200 micromètres. Après 800 heures dans le chemostat, peu de ciliés dépassaient 60 micromètres de longueur. Cela semble être dû à la famine.

Dans les cas ci-dessus, des mutations sont apparues conférant une résistance à la prédation. Des mutations conférant une résistance aux parasites ont également été observées dans des études sur des bactéries cultivées dans des chimiostats. Varon (1979) a introduit la bactérie parasitaire Bdellovibrio dans un chimiostat contenant la bactérie luminescente Photobacterium leiognathi en état stationnaire. En six jours, une nouvelle souche de l'hôte est apparue, résistante à l'attaque du parasite. Ce mutant a coexisté dans la culture avec une forme similaire à la souche originale. Normalement, P. leiognathi pousse sous forme de paires de cellules en bâtonnet et forme des colonies translucides. La souche mutante pousse sous forme de chaînes de cellules ovales et forme des colonies opaques. Les tests de plaques ont montré que l'efficacité de la mise en plaque de la suspension de Bdellovibrio sur des cultures de la souche mutante était au moins 10⁷ fois plus faible que sur la souche originale ou sur les cellules de type sauvage issues de la culture. L'examen d'une suspension mixte de parasite et d'hôte au microscope en contraste de phase a montré que les cellules de type sauvage étaient attaquées immédiatement après le mélange par Bdellovibrio, tandis que les cellules mutantes restaient intactes. Des études en culture par lots ont montré que, dans des conditions de culture similaires, la souche mutante a un taux de croissance beaucoup plus faible que la bactérie de type sauvage.

Ceci conclut ce que je vais discuter concernant les procaryotes. Plusieurs conclusions semblent émerger de ces études. Premièrement, compte tenu de la croissance exponentielle et des grandes tailles de population, de nombreuses mutations semblent se produire dans les populations bactériennes. Lorsque des bactéries dans ces conditions sont soumises à une sélection forte, par des moyens tels que l'introduction d'un prédateur ou d'un parasite, des adaptations contrebalançant l'effet de l'agent sélectif apparaissent rapidement et se propagent dans la population. Cela ne pourrait pas se produire sauf si des mutations conférant ces avantages apparaissaient. C'est inévitable lorsque l'on considère que la pratique standard en microbiologie consiste à initier des cultures à partir de colonies uniques sur des plaques d'agar - des colonies qui représentent les descendants d'une seule cellule. Si la mutation est bénéfique dépend de l'environnement dans lequel se trouve le mutant. En présence de l'agent sélectif (par exemple, un prédateur), la mutation est bénéfique. Dans un environnement différent, la mutation peut être délétère. Un effet commun des mutations conférant une résistance aux prédateurs et aux parasites semble être une réduction du taux de croissance maximal des bactéries mutantes. Dans au moins certains cas (par exemple, E. coli et les phages T), cela résulte de la même mutation produisant une résistance et réduisant la capacité à absorber les nutriments. Dans tous les cas, l'apparition de mutations bénéfiques semble se produire en culture continue chez un certain nombre d'espèces bactériennes et est probablement un phénomène général.

À mon avis, ces conclusions s'appliquent également aux eucaryotes. Je vais discuter de quelques exemples tirés des travaux menés ici au Counter Culture Lab pour étayer cette affirmation.

Chlorella vulgaris est une algue verte unicellulaire courante utilisée comme « rat de laboratoire » dans les laboratoires du monde entier. Nous avons cultivé la même souche pendant des milliers de générations sur agar et en culture liquide sans qu'elle perde sa morphologie unicellulaire. Des dizaines à des centaines de laboratoires ont réalisé cela. Des cultures unicellulaires en état stationnaire de C. vulgaris ont été inoculées avec le prédateur Ochromonas velliaca, un flagellé phagotrophe. En moins de 100 générations, une forme multicellulaire de Chlorella est devenue dominante dans la culture. (Boraas 1983b, Boraas et al. 1998). L'algue a d'abord formé des amas globulaires de dizaines à des centaines de cellules. Après 10 à 20 générations en présence du flagellé, les colonies à huit cellules ont prédominé. Ces colonies ont conservé la morphologie à huit cellules indéfiniment en culture continue et lors de la mise en plaque sur agar. La base du changement semble être une modification de la paroi cellulaire. La division cellulaire chez la Chlorella normale se produit à l'intérieur de la paroi cellulaire de la cellule mère. La cellule subit 1 à 4 divisions pour former 2 à 16 cellules filles. Cela est suivi d'une scission de la paroi de la cellule mère et de la dispersion des cellules néonatales. Dans une culture, les parois cellulaires vides de la cellule mère sont intercalées avec des cellules entières dans un rapport d'environ 1:4. Les parois cellulaires vides de la cellule mère ne sont pas trouvées dans les cultures de la forme multicellulaire. Les colonies sont enfermées dans une « membrane » qui semble être du matériau de paroi cellulaire modifié.

Comme on l'a vu dans les cas bactériens, cette mutation a conféré à Chlorella une résistance à la prédation au prix d'un taux de croissance réduit. Les colonies néonatales sont à peine assez petites pour être englouties par Ochromonas. Une fois qu'elles ont légèrement grandi, elles deviennent trop grandes pour être mangées. En présence du prédateur, la forme coloniale de Chlorella remplace la forme unicellulaire et persiste. Lorsque le prédateur est absent, la forme unicellulaire remplace la forme coloniale. Cela a du sens car la forme coloniale expose une surface moins grande à l'environnement disponible pour l'absorption des nutriments que la forme unicellulaire.

Il existe également des preuves que des mutations se produisent et sont sélectionnées chez des animaux élevés dans des chemostats et des systèmes connexes. Boraas (1983a) a observé plusieurs changements chez le rotifère Brachionus calyciflorus lorsqu'il a été élevé pendant 24 mois dans un chemostat. La taille moyenne du corps adulte de l'animal a diminué régulièrement au fil du temps. Les rotifères ont cessé la production de mâles et d'œufs de repos après 1-2 mois de culture continue, suggérant que l'environnement du chemostat sélectionnait contre la reproduction sexuée. Après 2-3 mois, la sexualité ne pouvait plus être induite chez les animaux retirés de la culture. Ils semblent avoir perdu la capacité de subir une reproduction sexuée.

Bennett et Boraas (1988, 1989) ont observé des changements encore plus frappants chez la même espèce de rotifère lorsqu'elle était cultivée dans un turbidostat. Un turbidostat est une variante du chimostat. Alors qu'un chimostat est conçu pour une alimentation constante en milieu de culture, un turbidostat est conçu pour maintenir les organismes à une concentration constante. Un capteur de turbidité mesure la concentration d'organismes dans la culture. Lorsqu'elle dépasse une valeur prédéfinie, du milieu supplémentaire est ajouté. Dans l'étude de Bennett et Boraas, le capteur mesurait la concentration de nourriture résiduelle (algues) dans la culture (Boraas et Bennett 1988). Lorsqu'elle chutait en dessous d'un certain niveau, plus était ajouté. Ce type de système de culture permet aux organismes de croître au taux physiologique maximum possible dans un environnement donné et sélectionne un taux de croissance rapide. Dans un chimostat, l'investigateur choisit le taux de croissance auquel les organismes se développent et la densité de population est une variable de réponse ; dans un turbidostat, l'investigateur choisit la densité de population et les organismes grandissent aussi vite qu'ils le peuvent.

Bennett et Boraas ont observé que les rotifères subissaient plusieurs modifications. Le résultat de ces changements fut une souche de rotifères à croissance rapide. Au cours de plus de 8 mois dans un chimiostat, le taux de croissance maximal des rotifères est passé de 0,053 h^-1 à 0,080 h^-1. Ce changement a persisté même lorsque les animaux ont été élevés pendant plus de 100 générations dans un chimiostat au taux de croissance lent de 0,009 h^-1. Il y a eu un décalage de la fécondité vers des classes d'âge plus jeunes dans la souche à croissance rapide. La longévité de la souche à croissance rapide était de 28 % plus courte que la longévité de la souche parentale. Le temps de développement des œufs était plus court et le volume des œufs considérablement plus petit dans la souche à croissance rapide. Comme observé dans l'étude de Boraas (1983a), les adultes étaient plus petits et la sexualité a été perdue.

L'exemple des rotifères montre des changements dans les caractères de l'histoire de vie qui sont sous contrôle génétique. Ces exemples suggèrent que l'argument avancé pour les procaryotes peut être étendu aux eucaryotes.

Notes

[1] Il existe en réalité deux variétés différentes de papillons de nuit à ailes noires, avec la noirceur déterminée par des gènes différents.

[2] Il n'y a pas de note [2]. Voir [2] pour plus de détails.

[3] Les protéines sont les molécules de travail dans la cellule. Il existe deux grands types de protéines, les protéines structurelles et les enzymes. Généralement, une enzyme est optimisée pour effectuer une opération chimique simple sur une autre molécule (le substrat). Cependant, elle peut également effectuer des opérations sur d'autres substrats avec beaucoup moins d'efficacité. Un changement dans une enzyme modifie souvent son efficacité sur des substrats alternatifs ; elle peut également modifier les conditions optimales dans lesquelles la réaction se produit, par exemple la température ou le pH.

Les organismes diploïdes possèdent deux copies de chaque gène. Lorsqu'une mutation survient dans l'une des copies, l'organisme peut présenter des allèles alternatifs aux propriétés différentes. Dans certains environnements, les organismes possédant des copies des deux allèles (ils sont dits hétérozygotes pour le gène) peuvent avoir un avantage.

[4] Le génome humain comporte 3 milliards de paires de bases. Le taux moyen de mutations ponctuelles est d'environ 20 à 30 par milliard par individu. Presque toutes les mutations ponctuelles chez les organismes multicellulaires sont strictement neutres. Chez l'être humain, 90 à 97 % de l'ADN est de l'« ADN poubelle » qui ne fait rien (autant que l'on puisse le déterminer). Un tiers des modifications des codons (sections d'ADN qui codent pour des protéines) sont silencieuses ; c'est-à-dire que l'ADN change, mais l'acide aminé codé reste le même. Ainsi, 93 à 98 % de toutes les mutations ponctuelles chez l'homme sont strictement neutres.

Des 2 à 7 % restants, presque tous sont également neutres. Une protéine typique est une séquence d'environ 1 000 acides aminés qui se replie autour d'un site réactionnel composé d'environ 50 acides aminés. Les modifications du site réactionnel ont un effet fort sur les propriétés de la protéine ; les modifications ailleurs n'ont souvent pas d'effet sauf si elles affectent le motif de repliement. En conséquence, moins de 1 % des mutations ponctuelles sont soumises à la sélection. [7]

[5] Il n'y a pas de note 5 non plus.

[6] Un trait est une caractéristique physique d'un organisme. Les traits d'un organisme sont déterminés par une combinaison de ses gènes et de ses réponses à son environnement. L'effet des gènes sur les traits est souvent très indirect.

[7] La plupart des chiffres relatifs à la taille du génome effectif, au nombre de gènes et à la taille moyenne des gènes sont approximatifs et sont encore en cours d'affinement.

Un certain nombre de génomes, à la fois bactériens et eucaryotes, ont été entièrement séquencés. Les tailles des protéines s'élèvent en moyenne à environ 350 acides aminés (1050 paires de bases).

Les estimations plus anciennes du nombre de gènes dans le génome humain se situent dans la fourchette de 50 à 100 mille. Les estimations plus récentes utilisant des données issues du projet génome sont d'environ 60 à 70 mille.

Les estimations de la taille du génome effectif varient. Drake donne une estimation de 80 000 000 paires de bases d'ADN codant. Le nombre peut être aussi bas que 3 % (Drake) ou aussi élevé que 10 % (estimations plus anciennes). La question est compliquée par le fait qu'une certaine (inconnue) proportion de l'ADN non codant n'est pas du déchet.

Estimer les taux de mutation n'est pas simple. Il faut comprendre que les estimations actuelles sont des extrapolations à partir de sections échantillonnées des génomes. De plus, les taux de mutation varient selon les sites. Cependant, différentes techniques semblent produire de manière cohérente des estimations de 1 à 6 mutations non silencieuses par individu chez l'humain. Le nombre total de mutations ponctuelles par individu est beaucoup plus élevé (Drake donne ~64 ; d'autres estimations sont du même ordre), mais, comme discuté dans note 4, presque toutes ces mutations sont soit silencieuses, soit situées dans l'ADN non codant (déchet).

[8] Les pourcentages d'apparition des différents allèles dans une population fluctuent toujours car les individus différents ont un nombre différent de descendants. Chez les espèces diploïdes telles que les nôtres, il existe une source supplémentaire de hasard ; chaque descendant reçoit une combinaison différente de gènes de ses parents. Non seulement les pourcentages fluctuent, mais ils peuvent par chance dériver d'un rapport à un autre.

Ce changement aléatoire est ce que l'on entend par dérive génétique. Lorsqu'un allèle particulier est avantageux par rapport à un autre, la fluctuation sera biaisée ; ce mouvement biaisé des changements dans les ratios est appelé sélection naturelle.

[9] Si nous utilisons les nombres de l'annexe I, la taille du génome effectif (pour les humains) est d'environ 80 000 000 paires de bases et le nombre moyen de mutations ponctuelles dans le génome effectif est d'environ 4. Cela signifie que chaque paire de bases du génome effectif mutera environ une fois tous les 20 000 000 d'individus.

Cela signifie que, chez les espèces à grandes populations, telles que les êtres humains (actuellement), chaque mutation ponctuelle pertinente apparaît dans l'espèce. D'un autre côté, dans un petit groupe tel qu'une tribu de chasseurs-cueilleurs, une mutation donnée n'apparaîtra probablement pas dans la tribu.

Annexe I - Fréquence des mutations

Lorsque nous parlons de la fréquence des mutations, nous devons distinguer le taux de mutation pour l'ensemble du génome et le taux de mutation pour le génome effectif (les 10 % qui ne sont pas de l'ADN poubelle). Dans Genetics 148:1667-1686, avril 1998) John W. Drake et al estiment qu'un zygote humain moyen présente environ 64 mutations, la plupart d'entre elles se produisant dans l'ADN « poubelle ».

À partir des tableaux 4 et 5 de « Taux de mutation spontanée », par JW Drake et al, Genetics 148:1667-1686 (avril 1998) :

Notez que pour les humains, le nombre de divisions cellulaires avant la formation des spermatozoïdes chez un homme de 30 ans est d'environ 400. Cela correspond à environ 1,6 mutation par cellule spermatique.

Dans le numéro du 28 janvier 1999 de Nature, dans l'article "High genomic deleterious mutation rates in hominids", Walker et Kneightey estiment que le taux de mutation dans le génome effectif est légèrement plus élevé, soit 4,2 mutations par individu, dont 1,6 sont délétères. Voir note 7 pour une discussion plus approfondie.

Annexe II - Une mutation favorable, résumé de journal

Arterioscler Thromb Vasc Biol 1998 Apr;18(4):562-567. « Niveaux plasmatiques de PAI-1 dans une population générale sans preuve clinique d'athérosclérose : relation aux déterminants environnementaux et génétiques », par Margaglione M, Cappucci G, d'Addedda M, Colaizzo D, Giuliani N, Vecchione G, Mascolo G, Grandone E, Di Minno G ; Unita' di Trombosi e Aterosclerosi, IRCCS Casa Sollievo della Sofferenza, San Giovanni Rotondo (FG), Italie.

Résumé :

Les taux plasmatiques de l'inhibiteur de l'activateur du plasminogène-1 (PAI-1) ont été constamment associés à un polymorphisme (4G/5G) du gène PAI-1. La voie de la rénine-angiotensine joue un rôle dans la régulation des taux plasmatiques de PAI-1. Un polymorphisme d'insertion (I)/déletion (D) du gène de l'enzyme convertissante d'angiotensine (ACE) a été associé aux niveaux plasmatiques et cellulaires d'ACE. Chez 1032 employés (446 hommes et 586 femmes ; 22 à 66 ans) d'un hôpital du sud de l'Italie, nous avons étudié l'association entre le polymorphisme PAI-1 4G/5G, les variants du gène ACE I/D et les niveaux plasmatiques d'antigène PAI-1. Aucun des participants n'a présenté de signes cliniques d'athérosclérose. Dans l'analyse univariée, les niveaux de PAI-1 étaient significativement plus élevés chez les hommes (P<.001), les consommateurs d'alcool (P<.001), les fumeurs (P=.009) et les homozygotes pour l'allèle de déletion du gène PAI-1 (4G/4G) (P=.012). L'analyse multivariée a documenté l'effet indépendant sur les niveaux plasmatiques de PAI-1 de l'indice de masse corporelle (P<.001), des triglycérides (P<.001), du sexe (P<.001), du polymorphisme PAI-1 4G/5G (P=.019), de l'habitude de fumer (P=.041) et du génotype ACE I/D (P=.042). Ainsi, en plus des marqueurs de résistance à l'insuline et de l'habitude de fumer, les variants génétiques de PAI-1 et d'ACE expliquent une part significative de la variabilité interindividuelle des concentrations d'antigène PAI-1 circulantes dans une population générale sans signes cliniques d'athérosclérose. [Texte intégral]

Annexe III - Une mutation favorable - Résumé de journal

J Biol Chem 1985 Dec 25;260(30):16321-5. "Apolipoprotéine AIMilano. Liaison accélérée et dissociation des lipides d'une variante d'apolipoprotéine humaine," par Franceschini G, Vecchio G, Gianfranceschi G, Magani D, Sirtori CR.

Résumé :

Les propriétés de liaison aux lipides de l'apolipoprotéine (apo) AIMilano, une variante moléculaire de l'apolipoprotéine humaine AI, caractérisée par la substitution Arg173----Cys, ont été étudiées à l'aide de liposomes de dimyristoylphosphatidylcholine. La variante AIMilano et l'AI normale sont incorporées dans la même mesure dans des complexes stables isolés par filtration sur gel, montrant des dimensions et des stœchiométries similaires. Une affinité plus élevée de l'apo-AIMilano pour le dimyristoylphosphatidylcholine est suggérée par la vitesse d'association plus rapide de la variante apoprotéine par rapport à l'AI normale ; de même, l'apo-AIMilano est plus facilement déplacé par le chlorure de guanidine des complexes isolés de dimyristoylphosphatidylcholine-apoprotéine. Lorsque la structure secondaire de l'apo-AIMilano a été étudiée par spectrofluorimétrie et dichroïsme circulaire, une longueur d'onde de pic de fluorescence plus élevée et une teneur en hélice alpha plus faible ont été détectées dans la variante apoprotéine par rapport à l'AI normale. La substitution Arg173----Cys dans l'AIMilano modifie considérablement la nature amphipathique du fragment hélicoïdal modifié de l'apoprotéine AI. La vitesse d'association avec les lipides est accélérée par une exposition accrue des résidus hydrophobes. La stabilité réduite des particules lipide-apoprotéine est peut-être médiée par une réduction du nombre de segments hélicoïdaux impliqués dans l'association aux lipides. La grande flexibilité de l'apolipoprotéine AIMilano dans l'interaction avec les lipides peut expliquer son catabolisme accéléré et les capacités d'absorption potentiellement améliorées pour les lipides tissulaires. [Texte intégral]

Annexe IV - Sélection pour la résistance au VIH - Résumé de journal

Am J Hum Genet 1998 Jun;62(6):1507-15. par JC Stephens et al.

Résumé :

La délétion CCR5-Delta32 abolit le chémokine CCR5 et le corécepteur du virus de l'immunodéficience humaine (VIH)-1 sur les cellules lymphoïdes, entraînant une forte résistance à l'infection par le VIH-1 et au sida. Une enquête génotypique menée auprès de 4 166 individus a révélé un clivage des fréquences alléliques CCR5-Delta32 allant de 0 % à 14 % à travers l'Eurasie, tandis que le variant est absent parmi les groupes ethniques autochtones d'Afrique, d'Amérique et d'Asie de l'Est. L'analyse des haplotypes de 192 chromosomes caucasiens a mis en évidence un déséquilibre de liaison fort entre CCR5 et deux locus de microsatellites. En utilisant la théorie de la coalescence pour interpréter la généalogie des haplotypes modernes, nous estimons que l'origine de l'haplotype ancestral contenant CCR5-Delta32 remonte à environ 700 ans, avec une fourchette estimée de 275 à 1 875 ans. Le clivage géographique des fréquences CCR5-Delta32 et son émergence récente sont cohérents avec un événement sélectif historique fort (par exemple, une épidémie d'un pathogène qui, comme le VIH-1, utilise CCR5), ayant entraîné une augmentation de sa fréquence dans les populations ancestrales caucasiennes. [Texte intégral]

Références

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Remerciements

Je tiens à remercier Larry Moran, Rich Daniel, Tedd Hadley, Allen Gathman, Mike Coon, Robin Goodfellow, Mike Syvanen, Joe Boxhorn, Mark Isaak, Pete Dunkelberg et Adam Noel Harris pour leurs suggestions et commentaires utiles.