Egoïste, égoïste

16 mars 2010

Ce titre évoquera chez certain(e)s un parfum capiteux mais d’autres (beaucoup d’autres ?) y associeront ce dont il est question dans la suite:

While proper care should be exercised both in labelling as selfish DNA every piece of DNA whose function is not immediately apparent and in invoking plausible but unproven hypotheses concerning the details of natural selection, the idea seems a useful one to bear in mind when exploring the complexities of the genomes of higher organisms. It could well make sense of many of the puzzles and paradoxes which have arisen over the last 10 or 15 years. The main facts are, at first sight, so odd that only a somewhat unconventional idea is likely to explain them.

Selfish DNA: the ultimate parasite, L. Orgel and F. Crick , Nature 1980 v284

Ci-dessous une figure tirée de l’article intitulé « Initial sequencing and analysis of the human genome » paru dans Nature en 2001 (soit 20 ans après l’article dont est tiré la citation ci-dessus).

L’axe horizontal représente le temps: plus on va à droite, plus on va dans le passé. L’axe vertical représente la proportion du génome humain occupée par des éléments transposables. Les couleurs représentent différentes catégories d’éléments transposables.

Si l’on regarde plus précisément le bleu clair (pour les initiés ce sont les Alus, des SINEs), on voit qu’à un moment dans le passé (x=26) un élément est apparu puis s’est amplifié, c’est-à-dire que son nombre de copies a augmenté, jusqu’à connaître un pic (x=7), puis cet ensemble d’éléments a commencé à diminuer en quantité.

Le contenu d’un génome est donc très dynamique: ça se balade dans nos cellules ! Et ces éléments transposables, comment ça fait pour « sauter » d’un endroit à un autre ? A quelle vitesse ça apparaît ou disparaît ? Ils se répartissent partout dans le génome ou bien s’accumulent « dans les coins » ? Qui en a le plus, le moins ? Quand ils bougent « cassent »-ils tout ou bien apportent-ils des « surprises » avec eux ? Peuvent-ils servir à « transporter » des « choses » ? A quoi sont-ils repérables ? Peut-on dire qu’ils « structurent » le génome ? Sont-ils associés à d’autres propriétés du génome, sans parler de l’épigénome ?

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A-t-on déjà modélisé le silencing des ETs ?

7 novembre 2009

L’histoire est longue mais je fais faire court: les éléments transposables (ETs) sont des séquences d’ADN qui peuvent bouger d’un endroit à un autre du génome, comme ça, en « sautant ». Bien sûr, c’est dangereux parce qu’ils peuvent se réinsérer quelque part o`u ils n’auraient pas dû… dans un gène par exemple. Donc au cours de l’évolution certains mécanismes sont apparus pour empêcher les ETs de bouger. En franglish, on appelle ça le silencing. Cela marche via des petites ARNs, via la méthylation de l’ADN et des histones, etc…

Comme toujours en science, on a besoin d’un modèle, dans le sens d’une représentation schématique, hypothétique, simplificatrice du phénomène d’intérêt. Cela « aide à penser ». Dans le cas du silencing des ETs, Hannon et ses collègues ont proposé en 2007 le modèle « ping-pong »:

pingpong

C’est la figure 7 de leur papier paru dans Cell, dont la légende est: « The piRNA Ping-Pong Model. Illustrated is the amplification loop consisting of Piwi/Aub complexes, Ago3 complexes, piRNA cluster transcripts, and transcripts of active transposons. Nucleotide cleavage events are shown as scissors. Potential sources of primary piRNAs are piRNA cluster transcripts and maternally inherited piRNA complexes. » En gros, un endroit du génome avec plein d’ETs dans tous les sens génère des longs transcrits reconnus comme venant de répétitions génomiques, et donc découpés en petits ARNs qui vont s’hybrider aux transcrits d’ETs, en anti-sens, et finalement les ARNs double-brins sont ensuite dégradés.

Si vous voulez en savoir plus sur ces noms bizarres tels piRNA, Aub, Ago3… je vous laisse lire la revue « The Piwi-piRNA Pathway Provides an Adaptive Defense in the Transposon Arms Race » de Aravin, Hannon et Brennecke, parue dans Science en 2007.

Depuis ce papier, nombreux sont ceux qui essayent de valider ou non ce modèle, de comprendre vraiment comment ça marche, de voir ce qu’il a dans le tripe (le modèle, pas Hannon…). D’après Google Scholar, l’article de Hannon et al. a déjà été cité 245 fois. Beaucoup d’approches différentes ont été utilisées mais je suis sûr qu’il en reste encore à explorer.

Pour l’instant je me demande juste si on a déjà essayé de modéliser formellement tout cela. Par formellement j’entends l’utilisation d’un modèle mathématique. Par exemple, dispose-t-on aujourd’hui d’équations pouvant répondre aux questions suivantes: combien de protéines Ago3 et Aub y a-t-il dans la cellule ? A quelle vitesse sont-elles produites ? Sont-elles en surnombre ? Les différentes familles d’ETs doivent-elles coopérer entre elles afin de submerger de transcrits la machinerie protéique du silencing ? A quel taux les piRNAs sont-ils produits ? Y aurait-il des boucles de feed-backs positifs ou négatifs qui n’ont pas identifiés expérimentalement ?

J’ai cherché dans la littérature mais je n’ai pas trouvé grand chose à part:

Les deux premiers sont parus avant l’article de Hannon donc a priori ne sont pas directement concernés. Par contre le dernier semble très intéressant, je vais le lire dès que possible (comprendre: « dans le RER en allant au labo lundi matin ») mais apparemment il est beaucoup plus orienté « génétique des populations » que « biologie moléculaire ».

Maintenant que je vous ai montré (succinctement) comment un chercheur fait sa biblio, vous vous imaginez bien que j’ai une idée en tête. Ce serait bien mieux de faire de la biblio à plusieurs ! Par exemple le site CiteULike indique à ses utilisateurs quels articles seraient à même de les intéresser, mais ce n’est pas encore hyper pertinent à tous les coups.

Alors c’est à vous, je fais appel à votre sagacité: connaissez-vous des articles modélisant formellement le silencing des ETs ? Si oui, lesquels ? Ce serait quand même incroyable qu’il n’y en ait quasiment pas… !!

ps: pour les initiés, un papier qui vient de sortir ajoute un nouveau joueur dans le modèle, la protéine Rhino


Invasion d’ETs

8 mars 2009

Chaque cellule vivante possède un génome, la molécule d’ADN, qui contient l’information génétique nécessaire à sa survie (voir ce billet). On a vu précédemment que, selon les organismes, la taille du génome pouvait beaucoup varier (voir ce billet), et que ces variations entre génomes sont principalement dues aux éléments transposables, les ETs (voir ce billet).

En biologie, lorsque l’on s’intéresse à quelque chose sous l’angle de l’évolution, se posent généralement deux questions: l’origine (comment c’est apparu) et la maintenance (pourquoi ça s’est maintenu au cours du temps). Prenons l’exemple d’une famille d’ETs dans un génome. On parle de « famille » parce qu’un ET est capable de transposer (de changer de place) au sein du génome-hôte et, par extension, de se multiplier: on dit alors que toutes les copies ayant pour ancêtre commun cet ET-là forment une famille. Mais à l’origine, cet ET, il vient d’où ?

Mettons de côté la question de l’origine du tout premier ET (que j’ai brièvement abordée ici) et considérons simplement un organisme, par exemple le poisson rouge qui tourne dans son bocal. Si l’on séquence son génome, on y trouvera des ETs. Ils viennent  soit de son père et/ou de sa mère, comme tout autre constituant de son génome (transmission verticale), soit d’ailleurs (transmission horizontale), et bien sûr, c’est plus amusant de s’intéresser au deuxième cas… Mais avant de savoir si les ETs de notre poisson rouge lui viennent de l’espace, on peut déjà se demander si ça arrive fréquemment que des ETs soient transmis horizontalement.

En 2008, des chercheurs ont répondu à cette question dans le cas des animaux en montrant qu’une famille d’ETs (appelée SPIN pour SPace INvaders…) avait envahie par transferts horizontaux plusieurs génomes de mammifères au cours de centaines de millions d’années (voir cet article). Mais au juste, comment fait-on ça ?

Depuis quelques années, on a les moyens techniques pour séquencer des génomes appartenant à beaucoup d’espèces différentes. Dans notre cas, les auteurs de l’étude recherchaient les ETs présents dans le génome d’un lémurien, Otolemur garnettii (la jolie petite bête photographiée ci-dessous). Ils ont utilisé une approche bioinformatique d’alignement de séquences et ont trouvé un ET qu’ils ne connaissaient pas très bien, appartenant a priori à la famille des hAT. Pour en savoir plus, ils ont regardé si cet ET n’était pas présent chez d’autres espèces comme l’homme, la souris, l’éléphant, le chien, la chauve-souris… et ils l’ont trouvé chez certains d’entre eux mais pas tous ! Ça met la puce à l’oreille, vous en conviendrez… En effet, la phylogénie (l’arbre généalogique) ci-dessous montre que les SPINs sont présents dans 6 génomes de tétrapodes mais pas dans les autres (les barres verticales indiquent la distribution des copies en fonction de leur âge).

transferts horizontaux d'ETS chez les mammifères

On peut imaginer tout d’abord que l’ancêtre de tous les génomes analysés (à la racine de l’arbre, donc il a vécu il y a environ 350 millions d’années) possédait déjà cet ET et qu’au cours du temps, de nouvelles espèces sont apparues, certaines perdant cet ET pour diverses raisons, tandis que d’autres le gardaient. Dans ce cas-là, les copies de l’ET devraient être très anciennes et toutes avoir à peu près le même âge. L’autre possibilité est d’imaginer que plusieurs transferts horizontaux sont arrivés dans les différentes branches de l’arbre et donc que les ETs sont beaucoup plus jeunes et que les copies d’un génome peuvent avoir un âge différent de celles dans un autre génome (c’est-à-dire le long d’une autre branche de l’arbre). Tenez vous bien: on trouve justement que les copies d’ETs sont jeunes et que, par exemple, les copies chez la chauve-souris sont plus jeunes que celles chez le rat !

Tout ça veut donc dire qu’il y a eu des transferts horizontaux, et ce plusieurs fois, au cours de l’évolution menant à ces espèces. On ne sait pas très bien comment de telles choses arrivent, certains supposent qu’un parasite d’une espèce peut en parasiter une autre et qu’il peut faire la navette de l’une à l’autre en transférant du matériel génétique de temps en temps, ce qui pourait être le cas des poux ou bien des achariens, mais rien n’a encore été observé. Comme quoi, les morceaux d’ADN aussi ça aime se balader… !


Genome dark matter

23 février 2009

On a cru pendant longtemps que la complexité d’un organisme allait de pair avec la taille de son génome (voir ce billet). Puis l’on s’est rendu compte que c’était faux en mesurant la taille du génome de beaucoup d’organismes différents, mais ce n’est pas pour autant qu’on a compris pourquoi certains organismes avaient un génome beaucoup plus grand que d’autres… En parallèle de ça, une chercheuse travaillant sur des chromosomes de maïs a découvert dans les années 1950 des éléments génétiques un peu particuliers. On est tous plus ou moins familier avec l’ADN qui code pour une protéine, ce que l’on appelle le dogme de la biologie moléculaire (si vous ne savez pas ce que c’est, lisez d’abord l’article de Wikipédia) mais il existe des morceaux d’ADN capables de se multiplier dans les génomes: on appelle ça des éléments transposables (ETs).

nrg703-i1

Imaginons un morceau d’ADN qui code pour une protéine capable de reconnaître un motif d’ADN bien précis, par exemple le motif « CCAATG », et que lorsque la protéine s’attache à ce motif, elle soit capable de couper l’ADN à cet endroit et de le réinsérer ailleurs. Maintenant imaginons que, par hasard, à un moment donné, dans un organisme quelconque, le morceau d’ADN qui code pour cette protéine se retrouve avec, de part et d’autre, c’est-à-dire sur sa gauche et sur sa droite, le motif en question. Par un mécanisme proche du « couper-coller », ce morceau d’ADN, par l’intermédiaire de la protéine pour laquelle il code, peut se déplacer d’un endroit à un autre du génome (d’un locus à un autre).  Et si jamais ce bout d’ADN est répliqué lorsque la cellule se prépare à entrer en division, et qu’après avoir été répliqué il se déplace et s’insère à un autre locus qui n’a pas encore été répliqué, alors, lorsque ce deuxième locus sera lui aussi répliqué, le morceau d’ADN sera en deux exemplaires dans le génome. Et c’est peut-être ainsi que le premier élément transposables est né, il y a de ça plusieurs milliards d’années !

En continuant à imaginer un peu, on comprend bien que, tant que l’ET se déplace et/ou se multiplie sans gêner le reste du génome, il peut augmenter en nombre de copies jusqu’à représenter une très grande proportion du génome entier. De nombreux travaux en génétique des populations ont d’ailleurs cherché les conditions pour lesquelles un ET pouvait se maintenir dans une population (voir le graphique ci-dessous de l’évolution du nombre moyen d’ETs par individu dans une population). Et depuis la fin du XXe siècle, comme il devient de plus en plus « facile » de séquencer un génome entier, on peut rechercher les ETs et tenter de comprendre non seulement leur dynamique évolutive mais également leur impact sur la structure et la fonction du reste du génome (mmm, un beau sujet de thèse…).

dynamique d'une famille d'ETs

Pour en revenir au titre de ce billet, on a longtemps parlé de junk DNA concernant les ETs parce qu’en fin de compte, s’ils ne font que se multiplier, ils ne sont pas d’un grand intérêt pour l’organisme qui les porte dans son génome. De plus, la communauté scientifique a commencé à s’y intéresser en même temps que la théorie du gène égoïste, théorie selon laquelle chaque gène ne se préoccupe que de son succès évolutif propre, et non de celui de l’organisme qui le transmet. Et dans ce cadre, les ETs sont les parasites ultimes… Si l’on prend comme exemple le génome humain, on estime à 45% la portion du génome faite d’ETs. Si l’on sait également que moins de 1.5% du génome humain code pour des protéines, on estime alors que le reste corresponds en fait à d’anciens ETs très divergents mais plus reconnaissables en tant que tel. Et le plus étonnant, c’est que la majorité de cet ADN est transcrit: on appelle ça la dark matter des génomes…


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