Fiche de Révision : La complexification des génomes

Introduction générale

La complexification des génomes est un processus évolutif par lequel les génomes d'organismes vivants se transforment pour évoluer vers une diversité accrue. Si la reproduction sexuée (méiose et fécondation) assure à la fois la conservation du génome et sa diversification par recombinaison, d’autres mécanismes plus profonds contribuent à complexifier les génomes sur le long terme, pouvant aboutir à la formation de nouvelles espèces.

Transfert vertical : Transmission de gènes de parents à descendants (ex : reproduction sexuée).
Transfert horizontal : Transfert de gènes entre organismes d’espèces différentes, générant une modification génétique non héritée parentellement.
Endosymbiose : Intégration stable d’un organisme (micro-organisme) à l’intérieur d’une cellule hôte, avec échanges génétiques et biochimiques intenses.

Problématique : Comment les génomes se complexifient-ils lors de l'évolution et comment cela participe-t-il à la diversification des espèces ?

I - Les transferts horizontaux de gènes

1. Découverte historique chez les bactéries

Au début du XXᵉ siècle, Griffith observe un phénomène surprenant chez des pneumocoques :

• Souches S (smooth) : pathogènes (virulentes).
• Souches R (rough) : non pathogènes.

Expérience clé : En mélangeant des bactéries S tuées par la chaleur avec des R vivantes, les bactéries R acquièrent la virulence.

En 1944, Avery, McLeod et McCarty montrent que cette acquisition dépend de l’ADN. Leur preuve :

• Traiter les bactéries avec différentes enzymes : protéases (détruisent protéines), ARNases (détruisent ARN), ADNases (détruisent ADN).
• Seule la destruction de l’ADN empêche la transformation des bactéries.

Ce mécanisme d’échange d’ADN est appelé conjugaison bactérienne : la bactérie donneuse forme un pilus (pont cytoplasmique) permettant le transfert d’ADN à la bactérie réceptrice.

2. Les mécanismes variés des transferts horizontaux

Le transfert horizontal est un échange de matériel génétique entre des organismes de différentes espèces, jouant un rôle crucial dans l'évolution.

Quelques exemples :

• Conjugaison bactérienne : échange d’ADN entre bactéries via pilus.
• Transfert bactéries → plantes : ex. Agrobacterium (utilisée en génie génétique pour fabriquer des OGM).
• Transfert par virus : les bactériophages injectent leur ADN dans les bactéries.
• Transfert par rétrovirus : comme le VIH ou le MPMV. Exemple célèbre : le gène syncytine 1, issu d’un rétrovirus, est impliqué dans la formation du placenta chez les mammifères.

On estime que 5 à 8 % du génome humain proviennent de gènes d'origine virale, issus de transferts horizontaux ancestraux.

[Diagramme]

3. La reconstitution des événements de transferts horizontaux

Pour retracer ces transferts au cours de l'évolution, deux méthodes principales sont utilisées :

• Séquençage génomique : analyse complète ou ciblée (PCR) pour détecter des gènes spécifiques issus de transferts.
• Arbres phylogénétiques : comparaison des séquences d’ADN ou de protéines pour retrouver des similarités anormalement élevées entre espèces éloignées.

Exemple : le gène de la syncytine

• Une très forte ressemblance (80-98 %) entre la syncytine des primates et une protéine virale (MPMV) indique un transfert horizontal.
• Ce gène, codant pour une protéine essentielle au placenta, provient du virus MPMV intégré dans l’ancêtre des grands singes.

Exemple 2 : Synthèse des caroténoïdes chez les pucerons

Les animaux ne produisent généralement pas de caroténoïdes, pigments importants chez les plantes. Pourtant, les pucerons synthétisent ces pigments grâce à deux enzymes :

• Caroténoïde synthase
• Caroténoïde désaturase

Ces enzymes proviennent d’un transfert horizontal entre une plante et un puceron, confirmé par la présence de ces gènes dans le génome du puceron d’origine végétale.

Schéma résumé des modalités du transfert horizontal de gènes

[Diagramme]

Conclusion

La complexification des génomes ne résulte pas uniquement des mutations et de la recombinaison verticale. Les transferts horizontaux de gènes, souvent médiés par des micro-organismes (bactéries, virus) ou via des phénomènes d’endosymbiose, introduisent de nouveaux gènes dans un génome, favorisant l’innovation génétique, parfois essentielle à la formation de nouvelles espèces.

Ces mécanismes modifient la diversité génétique de manière rapide et abondante et sont donc des acteurs clés de l’évolution.

Synthèse des notions-clés

Formule d’évaluation génétique liée au transfert horizontal

Si l’on définit [Formule] comme la fréquence d’un gène transféré dans une population, on peut modéliser son évolution par la sélection naturelle positive via la dynamique de population :

[Formule mathématique]

• [Formule] : coefficient de sélection (avantage fitness).
• [Formule] : fréquence initiale du gène transféré.

Cette formule illustre comment un gène avantageux (issu d’un transfert horizontal) peut rapidement se répandre.

À retenir :

• Le transfert horizontal est un moteur important de la complexité génomique.
• L'universelité de l’ADN facilite ces transferts entre espèces très différentes.
• La recherche génétique moderne (séquençage, phylogénie) permet de retracer ces événements.
• Ces transferts favorisent l'innovation génétique, ouvrant la voie à l'apparition de nouvelles fonctions et espèces.

Pour aller plus loin : TP4

Étude pratique du gène syncytine : comparaison des séquences, analyse phylogénétique, compréhension des mécanismes biologiques et évolutionnaires.