Duplication de gènes et chemins évolutifs

La duplication des gènes est un événement assez courant dans l'évolution des génomes. Ça peut créer des copies supplémentaires de gènes, ce qui peut entraîner le développement de nouvelles protéines. Ces copies supplémentaires peuvent suivre des chemins différents après la duplication. Elles peuvent perdre leur fonction à cause de Mutations, être maintenues pour leur dose augmentée, partager des fonctions entre elles, ou évoluer vers de nouvelles fonctions complètement.

Malgré de nombreuses études, les raisons exactes pour lesquelles certains gènes dupliqués évoluent différemment que d'autres ne sont toujours pas très claires. Un des principaux intérêts dans ce domaine a été de comprendre comment une copie de gène peut devenir fonctionnellement différente de l'autre après duplication. Le premier modèle expliquant cela a été proposé par un chercheur nommé Ohno. Il a suggéré qu'avoir une copie supplémentaire de gène sert de sauvegarde, permettant d'accumuler des mutations qui pourraient éventuellement mener à une nouvelle fonction.

Mais il y a un gros défi avec cette idée. Les mutations bénéfiques qui créent de nouvelles fonctions sont souvent rares, tandis que les mutations nuisibles qui désactivent les fonctions des gènes sont plus fréquentes. Cette réalité soulève des questions sur la capacité d'une copie supplémentaire de gène à survivre suffisamment longtemps pour acquérir des mutations bénéfiques. Ce problème est connu sous le nom de dilemme d’Ohno, et ça a conduit à des théories alternatives sur la manière dont de nouvelles fonctions protéiques peuvent apparaître après la duplication des gènes.

La plupart de nos connaissances sur l'évolution des gènes dupliqués proviennent de l'analyse de données génomiques à travers différentes espèces. Ces études comparent souvent les gènes dupliqués avec leurs parents à copie unique pour comprendre comment les pressions évolutives les affectent. Cependant, ces comparaisons sont limitées car elles ne donnent généralement pas un aperçu détaillé de la façon dont les fonctions de ces gènes changent au fil du temps, surtout à plus grande échelle. Il y a un défi à comprendre comment les mutations affectent la région codante du gène, sa régulation, et ses interactions avec d'autres gènes.

L'évolution expérimentale offre une façon de surmonter certaines de ces limitations. Dans un cadre de laboratoire, les chercheurs peuvent observer comment les populations d'organismes évoluent au fil du temps. Ils peuvent surveiller des traits spécifiques et analyser comment ces traits changent en réponse à différentes conditions. Cette approche permet une compréhension plus approfondie des changements génétiques et phénotypiques qui se produisent.

Une méthode spécifique qui peut être précieuse dans cette recherche est l'évolution dirigée. Cette stratégie consiste à introduire des mutations dans un gène puis à sélectionner des individus avec des traits favorables. Ce processus peut mettre en lumière comment la duplication des gènes peut influencer l'évolution, surtout en termes de production de protéines importantes pour diverses applications.

Dans cette étude, les chercheurs se sont penchés sur la manière dont la duplication des gènes affecte l'évolution d'une protéine spécifique appelée coGFP, connue pour sa fluorescence à double couleur. En contrôlant le nombre de copies de gènes, les chercheurs ont visé à comprendre comment ces copies évoluent sous différentes pressions de sélection, fournissant des informations sur les idées proposées par Ohno.

#Design Expérimental

Le principal objectif de cette investigation était d'étudier les résultats évolutifs des gènes dupliqués, en particulier la protéine coGFP trouvée chez l'organisme marin Cavernularia obesa. Les chercheurs ont créé un système qui leur a permis de contrôler précisément le nombre de copies de gènes, maintenant soit une, soit deux copies à travers plusieurs cycles d'évolution.

En utilisant des méthodes pour prévenir l'instabilité du nombre de copies, les chercheurs ont introduit deux copies du gène cogfp dans les bactéries Escherichia coli. Chaque gène était placé sous le contrôle de différents promoteurs, permettant aux chercheurs d'exprimer une ou les deux copies et d'observer les effets au cours de plusieurs cycles d'évolution dirigée sous diverses conditions.

Pour comparer les effets d'avoir deux copies par rapport à une, les chercheurs ont créé un plasmide de contrôle avec une copie non fonctionnelle du gène. En utilisant ce système, ils pouvaient évaluer comment les caractéristiques des populations évolutives changeaient au fil du temps en termes de leur composition génétique et de leur fluorescence.

Les chercheurs ont utilisé plusieurs régimes de sélection, variant la force de la pression de sélection tout au long de l'expérience. Ce faisant, ils ont visé à rassembler un large éventail de données sur la façon dont les populations évoluaient dans différentes conditions.

#Observations sur la Duplication des Gènes

#Robustesse Mutational

Une des principales prédictions de l'hypothèse d'Ohno est qu'avoir une copie supplémentaire de gène peut rendre l'organisme plus résistant aux mutations. Cette résilience signifie que même si une mutation délétère se produit, l'organisme pourrait ne pas perdre ses traits fonctionnels grâce à la présence d'une copie additionnelle de gène. Dans les premières étapes de l'évolution, les chercheurs ont observé que les populations avec deux copies de gènes étaient effectivement plus robustes aux mutations comparées à celles avec une seule copie.

Au fur et à mesure que les cycles d'évolution progressaient, la différence de robustesse a commencé à diminuer, suggérant que bien que l'avantage initial d'avoir deux copies était clair, au fil du temps, les deux types de populations ont commencé à développer des traits stabilisateurs qui amélioraient leur robustesse globale.

#Évolution Phénotypique

Une autre attente du modèle d'Ohno est que la duplication des gènes devrait accélérer l'évolution de nouveaux traits. Cependant, les résultats de cette étude ont indiqué que bien que les populations avec deux copies aient eu une plus grande variance de fluorescence, le taux d'évolution phénotypique n'était pas significativement plus rapide que celui de celles avec une seule copie.

Bien que les populations avec deux copies aient montré une fluorescence plus élevée tout au long de l'évolution, en comparant leur évolution à celle des populations à copie unique, il n'était pas évident que les populations à double copie évoluaient de nouveaux traits à un rythme plus rapide. Au lieu de cela, les avantages d'avoir une copie supplémentaire provenaient surtout de l'augmentation initiale de la dose de gène, plutôt que d'un quelconque accroissement significatif dans l'évolution de nouveaux traits.

#Inactivation des Copies de Gènes

Une découverte notable était qu'avec le temps, une des copies de gènes dans les populations à double copie devenait souvent inactive. Cette inactivation se produisait rapidement, un nombre significatif de cellules perdant leur fonction tôt dans l'évolution expérimentale. À mesure que les mutations s'accumulaient, la probabilité qu'une copie devienne non fonctionnelle augmentait, montrant qu même avec une copie supplémentaire, la menace de perdre la fonctionnalité reste élevée.

#Variation Génétique

Les chercheurs ont également examiné comment la duplication des gènes influençait la Diversité génétique au sein des populations. Ils ont constaté que les populations à double copie avaient tendance à avoir un plus grand nombre de mutations dans les premières générations. Cette augmentation des mutations suggérait qu'avoir deux copies permettait une accumulation plus rapide de diversité génétique.

Cependant, avec le temps, le nombre de mutations par gène dans les deux populations commençait à se stabiliser, indiquant que bien qu'un coup de pouce initial en diversité ait été observé avec des doubles copies, cet avantage s'est nivelé à mesure que les pressions de sélection agissaient sur les populations à copie unique et à double copie.

#Mutations Clés et Fluorescence

Au fur et à mesure que les cycles évolutifs progressaient, les chercheurs ont identifié plusieurs mutations spécifiques qui devenaient communes dans les populations. Notamment, deux mutations, G147S et V162D, sont apparues fréquemment, contribuant à des changements de fluorescence. Ces mutations, aux côtés d'une troisième mutation, L98M, ont été trouvées pour améliorer la fluorescence du coGFP, avec des implications pour la structure et la fonction de la protéine.

Fait intéressant, les chercheurs ont noté que dans les populations à double copies, ces mutations bénéfiques se propageaient plus rapidement par rapport à celles des populations à copie unique. Cette découverte soutient l'idée qu'avoir plus de matériel génétique peut offrir de plus grandes opportunités pour des changements bénéfiques, surtout dans les phases initiales après la duplication.

#Conclusion

Dans l'ensemble, cette étude a confirmé certains aspects de l'hypothèse d'Ohno, comme l'idée que la duplication des gènes peut renforcer la robustesse mutationale. Elle a également fourni des aperçus sur la façon dont la diversité génétique peut augmenter grâce à la présence de gènes dupliqués. Cependant, les chercheurs n'ont pas trouvé de preuves convaincantes que la duplication des gènes mène à une évolution phénotypique plus rapide.

Les résultats ont également mis en lumière les défis posés par les mutations nuisibles pour maintenir la fonctionnalité dans les gènes dupliqués. Avec l'inactivation rapide d'une copie, cela soulève la question de comment des mutations bénéfiques peuvent surgir si une copie de gène est rapidement rendue non fonctionnelle.

Des recherches futures seront essentielles pour explorer davantage ces dynamiques et peut-être révéler comment différentes conditions peuvent affecter les chemins évolutifs pris par les gènes dupliqués. En comprenant ces mécanismes en détail, nous pourrons mieux apprécier les complexités de l'évolution des gènes et les impacts de la duplication sur la diversité fonctionnelle.

#Matériaux et Méthodes

Pour mener cette étude, les chercheurs ont utilisé une série de méthodes pour construire des plasmides, mener des mutagénèses et effectuer des sélections. Ils ont utilisé divers milieux et enzymes pour le clonage, et soigneusement préparé des cellules électrocompétentes pour la transformation.

Ils ont introduit des mutations aléatoires dans le gène cogfp en utilisant des techniques pour amplifier l'ADN, puis ont sélectionné des variantes qui présentaient des caractéristiques de fluorescence désirables. L'étude a impliqué une culture extensive des cellules E. coli dans des conditions de laboratoire contrôlées et a employé une gamme de techniques pour mesurer la fluorescence dans les populations évolutives.

En utilisant la cytométrie en flux et le séquençage de molécules uniques, les chercheurs ont rassemblé des données détaillées sur la composition génétique et les traits phénotypiques des populations, fournissant une vue complète de leur progression évolutive.

Le design expérimental a non seulement abordé les prédictions originales d'Ohno mais a également préparé le terrain pour de futures investigations sur comment la duplication des gènes affecte les résultats évolutifs dans divers contextes. Les insights tirés de ce travail amélioreront notre compréhension de la fonction des gènes et de leur évolution, menant potentiellement à des applications en biotechnologie et biologie synthétique.