Comment les oiseaux déposent des gènes «inutiles» peuvent nous aider à comprendre l'évolution

Les humains, selon le dernier décompte, ont environ 21 000 gènes dans notre génome l'ensemble des informations génétiques dans un organisme. Mais avons-nous vraiment besoin de chaque gène que nous avons? Et si on en perdait trois ou quatre? Et si nous perdions 3 000 ou 4 000? Pourrions-nous encore fonctionner? Les humains ont des variations dans leurs génomes, mais la taille globale ne varie pas considérablement entre les individus, à l'exception de certains troubles génétiques comme le syndrome de Down qui sont causés par une copie supplémentaire du chromosome 21 et de tous les gènes qui

Chaque gène d'un génome fournit le code d'une protéine qui affecte notre vie, de la croissance de nos cheveux à la digestion de certains aliments. La plupart des gènes trouvés dans le génome humain sont probablement sûrs pour le moment, mais certains organismes ont, au fil du temps, réduit leur génome pour vivre dans divers habitats.

Les scientifiques pensaient auparavant que chaque gène du génome d'un organisme était essentiel pour la survie parce que les humains ont peu de variations dans nos tailles de génome d'une personne à l'autre. Cependant, des études utilisant des animaux avec des génomes plus petits et rationalisés l'ont prouvé.

Que faut-il pour rationaliser un génome? L'organisme coupe-t-il simplement les gènes au fil du temps et espère-t-il le meilleur, ou existe-t-il une série de processus qui compensent la perte de ces gènes? Si les chercheurs peuvent comprendre comment certains de ces petits génomes fonctionnent si efficacement, nous pouvons également mieux comprendre comment fonctionnent les génomes humains. Nous, Amey Redkar Alison Gerken et Jessica Velez sommes une équipe de biologistes d'horizons divers, tous associés à la Genetics Society of America . Nous souhaitons comprendre comment divers processus génétiques fonctionnent dans divers organismes et nous nous efforçons de communiquer ces faits passionnants sur la génétique à un large public.

Réarrangement structurel du génome par des processus évolutifs

Les génomes peuvent changer de diverses manières. Les changements peuvent être légers impliquant un seul bloc de construction d'ADN, ou à grande échelle, comme la duplication ou la perte d'un gros morceau d'ADN. Il est même possible de perdre des voies génétiques entières – des groupes de gènes agissant ensemble. De grandes pertes d'ADN au fil du temps sont connues sous le nom de rationalisation du génome .

Chaque organisme est adapté à son environnement, et certains y sont parvenus grâce au processus de rationalisation du génome. Au cours de ce processus, le génome est réorganisé à mesure que l'espèce s'adapte à son environnement. La rationalisation du génome permet aux organismes de prospérer dans des environnements difficiles, tels que les sites océaniques pauvres en nutriments, ou de s'adapter à des défis évolutifs uniques, tels que ceux posés par le vol .

Les chercheurs explorent ces adaptations en étudiant les génomes rationalisés d'espèces spécifiques, appelées «espèces modèles», pour découvrir quel matériel génétique est excessif et s'il existe un nombre optimal de gènes nécessaires à la survie d'un organisme.

Les oiseaux et les plantes subissent une rationalisation du génome

Un exemple frappant de la rationalisation du génome est observée chez les colibris dans lesquels les principaux facteurs des adaptations de la taille du génome seraient la fuite et les exigences métaboliques. Ces oiseaux ont développé la capacité de voler ainsi qu'un mode de vie à haute énergie, qui se reflètent tous les deux dans leur code génétique. Les colibris possèdent le génome le plus petit et le moins variable au sein des espèces d'oiseaux avec environ 900 000 000 d'unités d'ADN. Les gènes qui codent pour les protéines sont, en moyenne, entre 27% et 50% plus courts que ceux des génomes de mammifères. Ces adaptations sont nées du processus de rationalisation du génome . L'ADN et les gènes qui n'ont pas contribué activement aux colibris vivant à des altitudes plus élevées et ayant un mode de vie extrêmement actif et très énergique ont été perdus par des mutations adaptatives. rationalisation. Dans le règne végétal, la minuscule plante aquatique sans racine de la vessie, Utricularia gibba capture des insectes proies dans des pièges miniatures en utilisant une aspiration sous vide. Cette plante est adaptée à un mode de vie prédateur grâce à une sélection évolutive de gènes qui permettent à la vessie de décomposer des molécules complexes à l'aide d'enzymes spéciales et de conserver l'intégrité structurale de la plante dans les environnements aquatiques. Des gènes redondants, moins importants et inutiles ont été perdus .

Rationalisation extrême: le plus petit génome

Les exemples précédents de tailles de génome réduites soulèvent une question fondamentale: juste comment rationalisé peut un génome être? À mesure que le génome d'une espèce diminue, les scientifiques peuvent explorer le nombre de gènes qu'une espèce peut perdre avant qu'un organisme ne puisse plus survivre.

Un de ces organismes utilisé dans ces études, Prochlorococcus marinus est un cyanobactérie à cellules vivant en pleine mer. À 1 800 000 unités d'ADN, P. marinus est connu pour avoir le plus petit génome de tout organisme photosynthétique connu .

Ces cyanobactéries ne peuvent plus créer de nombreuses molécules essentielles nécessaires à leur survie. Ils ont perdu des voies génétiques entières utilisées pour la création d'acides aminés, qui sont nécessaires pour construire des protéines. En conséquence, P. marinus ne peut plus survivre dans son milieu naturel sans l'aide d'espèces symbiotiques ou bénéfiques qui fournissent les acides aminés P. marinus a besoin de . Dans un laboratoire, les chercheurs ne peuvent pas grandir P. marinus sans la présence de ces espèces auxiliaires ou en en ajoutant directement les acides aminés nécessaires P. marinus

Dépendance envers une autre espèce

Des relations symbiotiques similaires existent à l'intérieur des insectes. Certaines espèces de l'agent pathogène bactérien Nardonella ont subi une rationalisation du génome pour une taille de génome aussi petite que 230 000 unités d'ADN, éliminant tous les gènes à l'exception de ceux nécessaires à la synthèse de l'ADN et la voie génétique pour la fabrication de la tyrosine, un amino-aminé

Ces bactéries tirent la quasi-totalité de leurs besoins métaboliques du charançon dans lequel elles vivent. Les bactéries, à leur tour, fournissent le dernier élément de construction de la voie afin que le charançon génère l'acide aminé tyrosine qui construit un exosquelette plus sombre et plus dur pour le charançon qui protège l'insecte des prédateurs et du dessèchement en dehors. En conséquence, Nardonella s'appuie à la fois sur le charançon de l'hôte et lui procure un avantage en échange de cette dépendance.

Comme les humains, ces espèces possèdent toutes des informations génétiques structurées, mais des études sur ces animaux, les plantes, et les bactéries ont révélé que tous les gènes n'étaient pas essentiels pour survivre dans leur environnement. Alors que les chercheurs continuent d'explorer la rationalisation du génome, nous nous rapprochons de la compréhension de la façon dont les adaptations génétiques se produisent, de la façon dont la perte d'informations génétiques affecte les génomes des espèces et du peu de gènes qu'une espèce doit posséder pour survivre dans des environnements uniques et difficiles.

Cet article est republié de La ​​conversation par Jessica M. Velez assistante de recherche diplômée, Université du Tennessee ; Alison Gerken Research Molecular Biologist, Kansas State University et Amey Redkar chercheur postdoctoral (Marie Curie Fellow), Universidad de Córdoba sous licence Creative Commons. Lire l'article original .