16 février 2017
Résilient ou fragile?
La duplication de gènes peut avoir des effets contraires sur le génome, démontre l'équipe de Christian Landry dans Science
Par : Jean Hamann
Partager : 
Les chercheurs ont utilisé la levure à pain, S. cerevisiae, pour étudier l'effet des gènes dupliqués sur le génome. Environ 20% des gènes de ce champignon unicellulaire ont un équivalent chez l'humain.
— Masur
Dans un article paru le 9 février dans Science, une équipe de chercheurs de l'Université Laval met à mal le modèle dominant de la biologie évolutive voulant que la présence de plus d'une copie d'un même gène dans le génome d'un organisme assure sa résilience face aux perturbations génétiques. Les travaux menés par l'équipe de Christian Landry démontrent que cette redondance génétique peut aussi conduire à une fragilisation du génome, rendant les organismes plus vulnérables aux effets néfastes des mutations délétères.
L'équipe du Département de biologie, rattachée à l'Institut de biologie intégrative et des systèmes et au réseau PROTEO, a étudié 56 paires de gènes paralogues – des copies d'un même gène – présents dans la levure à pain, Saccharomyces cerevisiae. Les chercheurs ont d'abord caractérisé les interactions normales des protéines produites par ces gènes avec les autres protéines présentes dans des complexes protéiques de la levure. Ils ont ensuite répété l'exercice avec des variants de S. cerevisiae dont ils avaient légèrement modifié le génome. «Nous avons retiré 1 des 112 gènes paralogues dans chacun des variants afin de déterminer l'effet de cette délétion sur les complexes protéiques et sur le fonctionnement de la levure, explique Christian Landry. Cette façon de faire permet de déterminer le rôle joué par chaque gène paralogue.»
Les quelque 5 700 essais effectués par les chercheurs ont permis d'établir que, pour 22 des 56 paires étudiées, le gène paralogue prend la relève en l'absence de son pendant. «La fonction du gène est maintenue par le paralogue encore présent dans la cellule, ce qui appuie l'hypothèse que la duplication génétique assure la résilience du génome», commente le chercheur. Par contre, pour 22 autres paires, l'absence d'un des deux gènes paralogues perturbe le fonctionnement de la cellule. «La présence des deux paralogues d'une même paire est parfois essentielle pour que la fonction soit maintenue, explique-t-il. Dans pareille situation, une mutation spontanée dans l'un des paralogues suffit pour que la fonction du gène ne soit plus assurée. La duplication du gène peut donc conduire à une fragilisation du génome.»
La duplication génétique peut toucher une partie de gène, un gène complet, un chromosome ou un génome entier. «C'est un phénomène courant en nature et on le considère même comme un moteur de l'évolution», signale Christian Landry. Chez l'humain, on en connaît surtout les répercussions négatives comme la trisomie 21, le syndrome de l'X fragile ou certains cancers. «La duplication génétique a aussi des effets positifs méconnus, précise toutefois le chercheur. Par exemple, la capacité de distinguer les couleurs et les odeurs est le résultat de la duplication de gènes.»
Selon Christian Landry, si Science a choisi de publier les travaux de son équipe, c'est en partie parce qu'ils ébranlent une idée reçue en biologie évolutive. «L'autre élément qui a joué en notre faveur est que nous avons réussi à démontrer à l'échelle moléculaire comment la délétion d'un gène paralogue affecte les interactions protéine-protéine.» Bien que ces travaux n'aient pas de retombées médicales immédiates, ils apportent une explication aux observations contradictoires qui suggéraient que la présence de gènes paralogues pouvait soit atténuer certaines mutations, soit être associée à des mutations causant des maladies. «Notre étude permet de préciser les règles servant à prédire comment des variations génétiques peuvent influencer le fonctionnement du corps humain. La compréhension du lien génotype-phénotype constitue l'un des grands défis actuels en génomique humaine», rappelle le chercheur.
L'étude parue dans Science est signée par Guillaume Diss, Isabelle Gagnon-Arsenault, Anne-Marie Dion-Côté, Hélène Vignaud, Diana Ascencio, Caroline Berger et Christian Landry.
L'équipe du Département de biologie, rattachée à l'Institut de biologie intégrative et des systèmes et au réseau PROTEO, a étudié 56 paires de gènes paralogues – des copies d'un même gène – présents dans la levure à pain, Saccharomyces cerevisiae. Les chercheurs ont d'abord caractérisé les interactions normales des protéines produites par ces gènes avec les autres protéines présentes dans des complexes protéiques de la levure. Ils ont ensuite répété l'exercice avec des variants de S. cerevisiae dont ils avaient légèrement modifié le génome. «Nous avons retiré 1 des 112 gènes paralogues dans chacun des variants afin de déterminer l'effet de cette délétion sur les complexes protéiques et sur le fonctionnement de la levure, explique Christian Landry. Cette façon de faire permet de déterminer le rôle joué par chaque gène paralogue.»
Les quelque 5 700 essais effectués par les chercheurs ont permis d'établir que, pour 22 des 56 paires étudiées, le gène paralogue prend la relève en l'absence de son pendant. «La fonction du gène est maintenue par le paralogue encore présent dans la cellule, ce qui appuie l'hypothèse que la duplication génétique assure la résilience du génome», commente le chercheur. Par contre, pour 22 autres paires, l'absence d'un des deux gènes paralogues perturbe le fonctionnement de la cellule. «La présence des deux paralogues d'une même paire est parfois essentielle pour que la fonction soit maintenue, explique-t-il. Dans pareille situation, une mutation spontanée dans l'un des paralogues suffit pour que la fonction du gène ne soit plus assurée. La duplication du gène peut donc conduire à une fragilisation du génome.»
La duplication génétique peut toucher une partie de gène, un gène complet, un chromosome ou un génome entier. «C'est un phénomène courant en nature et on le considère même comme un moteur de l'évolution», signale Christian Landry. Chez l'humain, on en connaît surtout les répercussions négatives comme la trisomie 21, le syndrome de l'X fragile ou certains cancers. «La duplication génétique a aussi des effets positifs méconnus, précise toutefois le chercheur. Par exemple, la capacité de distinguer les couleurs et les odeurs est le résultat de la duplication de gènes.»
Selon Christian Landry, si Science a choisi de publier les travaux de son équipe, c'est en partie parce qu'ils ébranlent une idée reçue en biologie évolutive. «L'autre élément qui a joué en notre faveur est que nous avons réussi à démontrer à l'échelle moléculaire comment la délétion d'un gène paralogue affecte les interactions protéine-protéine.» Bien que ces travaux n'aient pas de retombées médicales immédiates, ils apportent une explication aux observations contradictoires qui suggéraient que la présence de gènes paralogues pouvait soit atténuer certaines mutations, soit être associée à des mutations causant des maladies. «Notre étude permet de préciser les règles servant à prédire comment des variations génétiques peuvent influencer le fonctionnement du corps humain. La compréhension du lien génotype-phénotype constitue l'un des grands défis actuels en génomique humaine», rappelle le chercheur.
L'étude parue dans Science est signée par Guillaume Diss, Isabelle Gagnon-Arsenault, Anne-Marie Dion-Côté, Hélène Vignaud, Diana Ascencio, Caroline Berger et Christian Landry.
