La complexification des génomes : transferts horizontaux et endosymbioses

Le génome d'Escherichia coli compte 4 288 gènes codant des protéines, celui de l'espèce humaine environ 19 400, celui du blé tendre plus de 107 000. Le nombre de gènes a augmenté au cours de l'évolution, et leur organisation a changé.

Comment les génomes se sont-ils complexifiés au cours de l'évolution ?

Le nombre de gènes varie beaucoup d'un groupe à l'autre. La bactérie Escherichia coli en porte 4 288 qui codent des protéines, sur une seule molécule d'ADN circulaire, sans noyau. L'espèce humaine en compte environ 19 400, répartis sur vingt-trois paires de chromosomes enfermés dans un noyau. Le blé tendre en compte 107 891 : cette plante possède trois jeux de chromosomes, hérités de trois espèces différentes. Les organismes actuels dont le génome est le plus simple sont les procaryotes. L'ancêtre commun à tous les êtres vivants devait posséder un génome de structure comparable à la leur. Les génomes des eucaryotes se sont donc construits à partir d'un état de départ simple. C'est la complexification des génomes.

La reproduction transmet les gènes d'une génération à la suivante. Chaque individu reçoit son génome de ses parents. Ce sens de circulation descend l'arbre généalogique : c'est la transmission verticale. Les mutations, les duplications de gènes et les brassages de la méiose agissent tous à l'intérieur de ce cadre. Aucun ne fait passer un gène d'une lignée à une autre. De l'ADN passe pourtant d'un organisme à un autre organisme de la même génération, en dehors de toute reproduction. Ces échanges sont les transferts génétiques horizontaux. L'universalité de l'ADN les rend possibles. La molécule a la même structure chez tous les êtres vivants. Le code génétique y est le même. Un gène venu d'ailleurs peut donc être lu et traduit par la cellule qui le reçoit.

Les quatre volets qui suivent parcourent ce mécanisme du plus simple au plus considérable. Le premier montre par quelles voies l'ADN entre dans une bactérie. Le deuxième suit un gène de résistance à un antibiotique qui franchit la barrière de l'espèce. Le troisième quitte les bactéries et cherche des transferts chez les animaux et les plantes. Le quatrième traite du transfert le plus lourd de conséquences : l'entrée d'une bactérie entière dans une cellule, à l'origine des mitochondries et des chloroplastes.

Verticalement, horizontalement

D'où viennent les gènes d'une bactérie ?

Une bactérie se reproduit par division. Chaque cellule fille reçoit une copie du chromosome de la cellule mère. Toute la descendance d'une bactérie forme ainsi une lignée, et cette lignée porte le même génome. C'est la transmission verticale. Mais une bactérie peut aussi acquérir de l'ADN qui ne vient pas de sa mère. Trois voies naturelles le permettent. Une quatrième voie, dirigée par l'être humain, imite la première au laboratoire.

Étape 1 sur 6
Les voies d'entrée de l'ADN dans une bactérie, et leur trace dans la généalogie Le panneau de gauche représente un milieu de culture contenant des bactéries. Chaque bactérie porte un chromosome circulaire. La bactérie receveuse est dessinée en bleu, la bactérie donneuse en vert. Quatre situations se succèdent. La bactérie receveuse se divise et donne deux cellules filles, qui portent le même chromosome. Puis une bactérie donneuse meurt et libère son ADN dans le milieu ; un fragment rouge entre dans la bactérie receveuse et s'insère dans l'ADN de son chromosome : c'est la transformation. Puis un virus bactériophage emporte un fragment d'ADN de la bactérie donneuse et l'injecte dans la bactérie receveuse : c'est le transfert viral. Puis un pont se forme entre deux bactéries et un plasmide, petit anneau d'ADN, passe de l'une à l'autre : c'est la conjugaison. Enfin, un gène humain est inséré dans un plasmide au laboratoire, et le plasmide est introduit dans une bactérie. Le panneau de droite suit deux lignées bactériennes sur quatre générations. Les flèches verticales dorées figurent la descendance. Une flèche horizontale rouge traverse de la lignée donneuse vers la lignée receveuse. À partir de cette génération, toutes les bactéries de la lignée receveuse portent le gène acquis.
gène 1, entré par transformation gène 2, entré par transfert viral gène 3, entré par conjugaison gène 4, introduit par transgénèse génome de la bactérie receveuse génome de la bactérie donneuse transmission verticale, et plasmide virus
Trois voies naturelles
  • La transformation : de l'ADN présent dans le milieu, provenant de bactéries mortes, est intégré par une bactérie receveuse dans son génome.
  • Le transfert viral : de l'ADN d'une bactérie prélevé par un virus est transmis à une autre bactérie lors de son infection par le virus. Les virus qui infectent les bactéries sont les bactériophages.
  • La conjugaison : de l'ADN est échangé directement, par un pont établi entre deux bactéries. L'ADN échangé est le plus souvent un plasmide, petit anneau d'ADN distinct du chromosome bactérien.
Un transfert dirigé n'est pas un transfert horizontal

La transgénèse introduit volontairement un gène choisi dans un organisme receveur, pour qu'il l'exprime. La production d'insuline humaine par des bactéries en est l'exemple le plus répandu. Le procédé emprunte le mécanisme de la transformation, mais il n'a rien d'un événement spontané. Le gène est sélectionné pour sa fonction, et l'organisme transformé est cultivé dans des conditions qui favorisent son expression. La transgénèse imite donc un phénomène naturel ; elle ne se confond pas avec lui.

L'arbre généalogique d'une population bactérienne n'est pas un arbre. Un gène entré par transfert horizontal se transmet ensuite verticalement à toute la descendance de la bactérie qui l'a reçu. Les branches se relient : la généalogie devient un réseau.

Une résistance qui change d'espèce

Comment un gène de résistance à un antibiotique passe-t-il d'une bactérie à une autre ?

Une population bactérienne devient résistante à un antibiotique par deux chemins. Le premier est connu depuis la classe de première. Une mutation apparaît au hasard dans une bactérie et la rend résistante. L'antibiotique élimine les bactéries sensibles et laisse la place à cette bactérie, qui se multiplie. La résistance se répand alors dans la descendance de cette bactérie, donc dans une seule lignée, et dans une seule espèce. Le second chemin est celui du transfert horizontal. Le gène de résistance passe directement d'une bactérie à une autre, y compris entre espèces différentes. La résistance change alors d'espèce en une génération.

L'expérience présentée ici met deux espèces en présence. Une bactérie du genre Acinetobacter tue les bactéries voisines et libère leur ADN dans le milieu. Une souche d'Escherichia coli porte un plasmide qui rend résistant à la kanamycine, un antibiotique. Trois conditions de culture sont comparées.

Étape 1 sur 6
Le passage d'un gène de résistance d'une espèce bactérienne à une autre Le panneau de gauche montre une co-culture. Une bactérie du genre Acinetobacter, dessinée en bleu, est sensible à la kanamycine. Une bactérie Escherichia coli, dessinée en vert, porte un plasmide représenté par un anneau doré, sur lequel un gène de résistance à la kanamycine est figuré en rouge. Acinetobacter tue Escherichia coli par contact. La bactérie tuée se rompt et libère son contenu, dont le plasmide. Le plasmide entre dans Acinetobacter par transformation. Acinetobacter porte alors le gène de résistance. Le panneau de droite montre trois boîtes de culture sur un milieu additionné de kanamycine. Dans la première, ensemencée avec Acinetobacter seule, aucune colonie ne pousse. Dans la deuxième, ensemencée avec Escherichia coli seule, des colonies vertes poussent. Dans la troisième, ensemencée après la co-culture des deux espèces, des colonies bleues d'Acinetobacter poussent : elles ont acquis la résistance. La dernière étape remplace le panneau de gauche par la comparaison des deux chemins qui mènent à une population résistante, la voie verticale par mutation et sélection, et la voie horizontale par transfert.
gène de résistance à la kanamycine Acinetobacter, receveuse Escherichia coli, donneuse plasmide
Ce que les deux témoins établissent

Acinetobacter cultivée seule ne donne aucune colonie sur le milieu additionné de kanamycine. Elle est donc bien sensible à cet antibiotique au départ. Les colonies qui apparaissent après la co-culture ne peuvent donc pas venir d'une résistance qu'elle aurait déjà possédée. Escherichia coli cultivée seule donne des colonies : elle porte bien la résistance. Les deux témoins isolent ainsi la seule différence entre les conditions, la présence simultanée des deux espèces.

Un enjeu de santé publique

Acinetobacter baumannii est l'une des principales bactéries responsables d'infections contractées à l'hôpital. Beaucoup de ses souches résistent simultanément à plusieurs familles d'antibiotiques. Elle possède le même dispositif de destruction de ses voisines. Le transfert horizontal donne une explication à ces multirésistances. Une souche n'a pas besoin d'accumuler les mutations une à une. Elle rassemble des gènes de résistance déjà présents chez d'autres bactéries.

Une mutation crée une résistance dans une lignée. Un transfert horizontal la fait changer de lignée, et même d'espèce. Les deux mécanismes se combinent. La résistance aux antibiotiques se propage donc bien plus vite que la seule apparition de mutations ne le laisserait attendre.

Dans tout l'arbre du vivant

Les transferts horizontaux se limitent-ils aux bactéries ?

Chez les bactéries, les transferts horizontaux sont fréquents. Chez les eucaryotes, ils sont rares. Ils existent pourtant, et certains ont eu des conséquences considérables. Une difficulté supplémentaire s'y ajoute. Un animal ou une plante ne transmet à sa descendance que le génome de ses cellules reproductrices. Un gène étranger entré dans une cellule de la peau ou du foie disparaît avec l'individu. Pour devenir héréditaire, le transfert doit atteindre une cellule de la lignée germinale.

Étape 1 sur 6
Des transferts horizontaux chez les eucaryotes : la syncytine et les pigments du puceron La première scène montre un virus dont l'enveloppe porte une protéine de fusion. Le virus accole son enveloppe à la membrane de la cellule cible, les deux membranes fusionnent, et le matériel génétique du virus entre dans la cellule, puis s'insère dans l'ADN d'un chromosome. La deuxième scène oppose deux destins. Si la cellule atteinte est une cellule somatique, le gène intégré disparaît avec l'individu. Si la cellule atteinte appartient à la lignée germinale, le gène passe aux descendants et fait désormais partie du génome de l'espèce. La troisième scène met côte à côte deux fusions de membranes. À gauche, la protéine d'enveloppe du virus fait fusionner l'enveloppe virale avec la membrane de la cellule cible. À droite, la même protéine, devenue un gène de l'hôte, fait fusionner entre elles des cellules du placenta. La quatrième scène montre la formation du syncytium placentaire, une masse contenant de nombreux noyaux, à l'interface entre la mère et l'embryon. La cinquième scène présente un arbre phylogénétique de vertébrés. Des triangles rouges marquent les branches sur lesquelles un gène de syncytine a été capté. Ces captures sont indépendantes les unes des autres, car les gènes concernés ne sont pas apparentés entre eux. La sixième scène montre le puceron du pois sous ses deux couleurs, verte et rose, la voie de synthèse des caroténoïdes dont les gènes viennent de champignons, et les deux ennemis naturels qui exercent des pressions opposées sur les deux couleurs.
gène acquis par transfert génome de la cellule receveuse virus transmission à la descendance
Pourquoi l'on parle de captures indépendantes

Les vertébrés qui possèdent une syncytine appartiennent à des groupes très éloignés les uns des autres. Deux explications sont possibles. Un seul transfert aurait touché leur ancêtre commun, et le gène aurait ensuite été perdu par tous les groupes qui n'en portent pas. Ou bien plusieurs transferts indépendants auraient touché chaque groupe séparément. La comparaison des séquences départage les deux hypothèses. Les syncytines des différents groupes ne sont pas apparentées entre elles : chacune ressemble à l'enveloppe d'un virus différent. Un ancêtre commun unique ne rendrait pas compte de cette diversité. Ce sont donc des captures séparées, survenues à des moments différents de l'évolution.

Acquérir un gène ne suffit pas à le conserver

Un gène entré par transfert horizontal subit ensuite la sélection naturelle, comme n'importe quel autre gène. Le puceron du pois le montre. Les individus roses sont davantage repérés par les coccinelles, qui les mangent. Les individus verts sont davantage pondus par une petite guêpe parasitoïde. Aucune des deux couleurs n'est donc avantageuse en toutes circonstances. Les deux se maintiennent dans les populations, chacune payant son avantage contre un ennemi par un désavantage contre l'autre.

Les transferts horizontaux ne créent pas seulement de la diversité génétique en ajoutant des gènes à un génome. Ils créent aussi de la diversité phénotypique. Le placenta de nombreux mammifères repose sur un gène venu d'une autre lignée. La couleur d'un puceron aussi.

L'origine endosymbiotique des mitochondries et des chloroplastes

Comment une bactérie devient-elle un organite ?

Le transfert horizontal le plus lourd de conséquences n'a pas porté sur un gène, mais sur un génome entier. Une bactérie s'est installée à l'intérieur d'une cellule et y est restée. Elle s'y est divisée. Ses descendantes sont passées aux cellules filles de l'hôte, puis à sa descendance. Une symbiose dont le partenaire vit à l'intérieur des cellules de l'autre est une endosymbiose. Quand elle est transmise de génération en génération, elle associe durablement deux génomes d'origines différentes. Les mitochondries et les chloroplastes en sont issus.

Étape 1 sur 7
De la bactérie à l'organite : arguments, scénario et devenir des deux génomes La première scène montre une mitochondrie et un chloroplaste en coupe, côte à côte. Les caractères qu'ils partagent avec les bactéries s'y allument un à un : deux membranes, une taille du même ordre que celle d'une bactérie, une division par simple séparation en deux, un ADN circulaire propre, des ribosomes propres et de type bactérien, une transcription et une traduction simultanées. La deuxième scène présente un arbre phylogénétique du vivant, avec ses trois grands groupes. Les trois génomes d'une même plante, le maïs, viennent s'y placer. Le génome du noyau rejoint les eucaryotes. Le génome de la mitochondrie et celui du chloroplaste rejoignent les bactéries. La troisième scène montre le scénario. Une cellule englobe une bactérie, qui reste entourée d'une membrane de l'hôte : la bactérie se trouve alors bordée de deux membranes. La quatrième scène suit deux compteurs de gènes au fil des générations. Le compteur de l'organite se vide, celui du noyau s'enrichit des mêmes gènes. La cinquième scène montre le trajet inverse des protéines. Les gènes passés au noyau y sont transcrits, leurs protéines sont fabriquées dans le cytoplasme, puis importées dans l'organite. La sixième scène rejoue le même enchaînement pour une cyanobactérie devenue chloroplaste. La dernière scène montre la fécondation. L'ovule et le spermatozoïde s'unissent en une seule cellule, le zygote. Les mitochondries de l'ovule sont dessinées en vert, celles du spermatozoïde en gris, pour qu'on ne les confonde pas. L'ovule apporte tout son cytoplasme et ses mitochondries. Les mitochondries du spermatozoïde ne passent pas : le zygote n'en contient aucune.
la cellule hôte et son noyau l'endosymbiote, puis l'organite qui en descend les gènes passés de l'endosymbiote au noyau ce qui passe à la descendance
L'état des deux génomes aujourd'hui
Génome de l'organiteBactérie libre de référence
Mitochondrie humaine16 569 pb, 37 gènes Rickettsia prowazekii : 1 111 523 pb, 834 gènes
Chloroplaste de l'arabette des dames154 478 pb, 87 gènes de protéines cyanobactéries : quelques milliers de gènes

Les 37 gènes de l'ADN mitochondrial humain codent 13 protéines, 22 ARN de transfert et 2 ARN ribosomiques. Or la mitochondrie humaine compte plus d'un millier de protéines différentes. Toutes les autres sont codées par le noyau, fabriquées dans le cytoplasme, puis importées. Le même déséquilibre se retrouve chez les plantes. Le chloroplaste de l'arabette garde 87 gènes de protéines. Plusieurs milliers de gènes de son noyau, eux, descendent de la cyanobactérie qui lui a donné naissance.

Symbiose et endosymbiose ne se confondent pas

Beaucoup d'associations durables lient deux espèces sans qu'il y ait endosymbiose. Les bactéries du microbiote intestinal restent hors des cellules, se cultivent au laboratoire, et gardent un génome complet. L'hôte ne porte aucun de leurs gènes. Dans une endosymbiose au contraire, le partenaire est intracellulaire, il ne se cultive plus seul, et son génome a régressé. Le transfert de ses gènes vers le noyau de l'hôte est le point de non-retour. L'organite ne peut plus se passer de la cellule qui l'abrite.

Le génome d'un organite ne se transmet pas par la méiose et la fécondation. Il passe par le cytoplasme de la cellule mère. C'est une hérédité cytoplasmique. Une femme qui porte une mutation de l'ADN mitochondrial la transmet à tous ses enfants. Un homme qui la porte ne la transmet à aucun.