Trois épis de maïs indien.

Jean-François BOUHOURS, directeur de recherche émérite à l’Inserm, IFR 26 (Inserm/Université de Nantes)

L’élément transposable Ac a deux allèles : A (actif) et a (silencieux). Lorsque l’allèle c est inactif (a) et que l’ET Ds se situe à l’extérieur du gène C responsable du phénotype « grain rouge », l’épi est rouge (en haut). Lorsque Ac est inactif et que Ds est à l’intérieur du gène C, l’épi est jaune (non représenté). Lorsque les deux variétés sont croisées sur deux générations, chaque grain (issu d’une seule fleur fécondée) est soit jaune, soit rouge, selon les lois de Mendel (épis du milieu et du bas). Quand Ac est actif, la répartition des grains rouges et incolores ou jaunes ne respecte plus les lois de Mendel et l’on observe des grains mouchetés : sur les grains jaunes apparaissent des taches rouges ; sur les grains rouges apparaissent des taches jaunes (non apparent ici).

Transposition dans le maïs
Au cours d’une méiose ou d’une mitose, si l’élément transposable Ac comporte le gène codant pour une transposase fonctionnelle (allèle A), alors l’élément transposable Ds peut se déplacer sur un gène de couleur (cas 1 vers cas 2), ou en sens inverse vers un autre endroit (cas 2 vers cas 3). Ac peut également changer de position chromosomique. Ds est une copie de Ac dont le gène de la transposase a été inactivé par une délétion.

© J.F. Bouhours

Des caractères réversibles

Jean-François BOUHOURS, directeur de recherche émérite à l’Inserm, IFR 26 (Inserm/Université de Nantes)

Dans les années 40, Barbara McClintock, généticienne américaine spécialiste du maïs, était intriguée par les variations de couleur apparaissant sur les grains de maïs indien. En réalisant des croisements entre différentes variétés homozygotes, elle a d’abord mis en évidence l’existence de deux allèles d’un gène qui commandent la synthèse des anthocyanes, pigments colorant en rouge la surface des grains de maïs : l’allèle fonctionnel C et l’allèle silencieux c qui, en « éteignant » le rouge, laisse apparaître la couleur jaune de l’endosperme. Mais la répartition de ces allèles sur deux générations ne respectait pas toujours les lois de Mendel de la transmission des caractères héréditaires. Barbara McClintock a démontré que ce phénomène est dû à certains gènes mobiles dans les chromosomes, qu’elle a appelé « éléments de contrôle » (EC), qui comportent un activateur (Ac) et un dissociateur (Ds), et qui sont capables de se déplacer à l’occasion d’une division cellulaire. On sait aujourd’hui que l’allèle c correspond à l’allèle C qui a été inactivé par l’insertion du segment Ds et que cette inactivation est réversible en présence de Ac qui contient un gène codant pour une enzyme appelée transposase (cf. schéma). Ac et Ds sont constitués d’une séquence d’ADN, soit fonctionnelle (Ac), soit tronquée et inactive (Ds), encadrée par des séquences de nucléotides semblables mais en ordre inversé (répétitions inversées, ou RI). La transposase est une enzyme qui, d’une part, reconnaît les séquences RI de l’EC, l’excise et, d’autre part, insère ailleurs l’EC excisé. L’opération se solde par un déplacement, nommé transposition, de l’EC, que l’on appelle maintenant élément transposable (ET) voire transposon.

On a découvert d’autres catégories d’ET qui, au lieu de se déplacer par « couper/coller », se reproduisent par « copier/coller » à d’autres endroits du génome (cf. Transposons et rétrotransposons ci-dessous). La découverte des ET, qui est restée longtemps incomprise et considérée comme anecdotique, a valu le prix Nobel de Médecine 1983 à Barbara McClintock, après qu’on a redécouvert leur existence dans tous les génomes.

Transposons et rétrotransposons

Jean-François BOUHOURS, directeur de recherche émérite à l’Inserm, IFR 26 (Inserm/Université de Nantes)

Il existe deux grandes catégories d’éléments transposables : les transposons et les rétrotransposons. Les transposons sont des séquences d’ADN qui contiennent un gène dit actif ou, le plus souvent, muté et inactif, et qui code ou a codé pour une transposase. Certains transposons se répliquent mais ne se déplacent pas de façon autonome. Dans ce cas, d’autres enzymes interviennent en plus de la transposase. Les gènes de ces enzymes sont soit présents et actifs dans le transposon qui se déplace, soit, s’ils sont inactivés par des mutations, dans un autre transposon actif de même type présent ailleurs dans le génome de la cellule. Dans le règne animal, à l’exception des insectes, les transposons trouvés jusqu’à maintenant sont inactifs. Ils contribuent en diverses proportions à l’ADN non codant : chez l’Homme, répartis en 20 000 séquences, ils constituent 3 % du génome. Leur contribution au génome humain est donc (en taille, pas en fonction) du même ordre que celle des séquences qui codent pour les protéines (25 000 gènes représentant 2 % des 3,4 milliards de paires de bases). Les transposons utilisés en thérapie génique sont des transposons dont le gène actif de la transposase a été reconstitué à partir des multiples versions mutées disponibles.

Les rétrotransposons sont des ET qui se copient par l’intermédiaire d’une transcription en ARN, suivie d’une transcription inverse de l’ARN en ADN qui est inséré dans le génome. Les rétrotransposons contiennent les séquences, nommées promoteurs, qui sont nécessaires pour qu’une ARN polymérase transcrive l’ET en ARN, ainsi que les gènes actifs ou inactifs codant ou ayant codé pour une transcriptase inverse, et une intégrase qui effectuent respectivement la copie d’ARN en ADN et l’insertion de la copie ADN. Les rétrotransposons fonctionnent à la manière des rétrovirus mais ils n’ont pas la capacité de ces derniers de quitter la cellule pour en infecter d’autres. La capacité de réplication autonome des rétrotransposons est à l’origine de 45 % de l’ADN du génome humain et de 70 % du génome du maïs. On reconnaît ces séquences à leurs motifs répétés que l’on retrouve sur tous les chromosomes. Les rétrotransposons sont, pour la plupart, inactifs. On estime cependant qu’il en subsiste une centaine qui sont actifs chez l’Homme. Les ET provoquent des modifications qui peuvent n’avoir aucune conséquence ou, au contraire, altérer significativement le génome. Inséré dans un gène (mutation insertionnelle), un ET peut le rendre silencieux ou conduire à la constitution d’un nouveau gène codant pour une nouvelle protéine. Inséré à proximité d’un gène, il peut en augmenter ou en réduire l’expression dans le temps ou en un certain lieu de l’organisme, et influer alors sur le développement de cet organisme. Les ET sont ainsi des facteurs majeurs d’introduction de variations génétiques sur lesquelles la sélection naturelle a joué pour faire évoluer les organismes vivants.

DOSSIER
Le jardin des gènes

Génétique fondamentale

Des gènes sauteurs

De petites portions d’ADN, les éléments transposables, sont capables de se déplacer de façon autonome dans le génome. Peut-on en faire des outils ?
par Benoît CHÉNAIS et Nathalie CASSE, respectivement Professeur et Maître de conférences à l’Université du Maine, chercheurs de l’équipe « mer, molécules, santé » (universités de Nantes et du Maine). http://sciences.univ-lemans.fr/M-M-S-Mer-Molecules-Sante

Dans l’ensemble des molécules d’ADN qui constitue le génome humain et qui compte près de 3 milliards de nucléotides, environ 25 000 séquences de ces nucléotides ont été repérées comme fonctionnelles, c’està- dire à la source de la production d’une ou plusieurs protéines (on dit qu’elles codent ces protéines). Le nombre de ces séquences, qui forment les gènes, peut être très variable d’une espèce vivante à l’autre.

La diversité génétique est principalement due à des modifications intervenant au hasard dans les chromosomes. Ces mutations sont à l’origine de nouvelles versions de gènes (de nouveaux allèles) et donc de la capacité d’évolution des espèces. Toutefois, une mutation n’a pas toujours d’impact parce que certaines portions d’ADN ne correspondent à aucun gène (tout au moins, leur fonction n’est pas connue) et que toute portion de gène n’est pas forcément codante.

Une mosaïque vertigineuse

Certaines mutations proviennent d’erreurs de copie de l’ADN dans les cellules ; d’autres sont dues aux déplacements, dans les chromosomes, de courtes séquences d’ADN nommées éléments transposables (ET). Les ET existent chez tous les êtres vivants ; ils constituent même une grande partie du génome (45 % chez l’Homme, 70 % chez le maïs). De rares ET, dits actifs ou fonctionnels, ont la capacité de coder la transposase, une enzyme qui réalise leur déplacement ; les autres ont perdu cette capacité à cause d’une mutation et ne peuvent donc se déplacer de façon autonome.

Selon l’endroit où ils s’insèrent, les ET perturbent plus ou moins le fonctionnement du génome. Certaines formes d’hémophilie ont ainsi été comprises comme la conséquence de l’insertion d’un ET dans le gène qui code le facteur VIII de coagulation du sang. Une telle perturbation n’est pas toujours néfaste, néanmoins : un ET peut activer durablement l’expression de certains gènes bénéfiques ou en inhiber d’autres moins favorables (il est alors dit domestiqué). L’étude des ET peut apporter des connaissances fondamentales sur l’évolution des espèces, en révélant par exemple l’ampleur ou la fréquence des modifications génétiques dont ils ont été responsables.

Notre équipe, spécialisée dans la faune marine, s’attache à identifier ces objets et à mieux cerner les causes et les impacts de leurs déplacements. Nous avons caractérisé à ce jour plus de 170 ET de la famille mariner chez 30 espèces d’invertébrés marins et chez quelques microalgues marines. Plusieurs de ces séquences sont quasi identiques, bien qu’isolées chez des espèces d’animaux éloignées (crabes et vers marins, notamment) mais partageant le même milieu de vie. Cette observation suggère l’existence d’un phénomène de transmission interespèce, probablement par l’intermédiaire d’un parasite ou d’un virus.

Des outils pour le transfert de gènes

Ces recherches intéressent également le génie génétique car elles peuvent mettre en lumière des mécanismes exploitables. Des ET sont déjà utilisés pour transférer des gènes dans des cellules de plantes ou d’insectes, et aussi de souris dans la perspective d’applications en thérapie génique.

Le principe de la thérapie génique est d’introduire un gène dans les noyaux d’un grand nombre de cellules de l’organisme pour pallier la déficience due à une mutation. Les vecteurs testés à cette fin sont en général des virus dont la capacité de réplication dans les cellules a été supprimée mais qui, pour autant, n’ont pas toujours perdu tout pouvoir pathogène. En particulier, les protéines qui enveloppent leur génome sont susceptibles de provoquer des réactions immunitaires graves. Ayant une capacité d’insertion mais pas de telle enveloppe, les ET pourraient constituer des outils alternatifs. Toutefois, comme pour les vecteurs viraux, il reste à savoir diriger leur insertion de façon à ce qu’ils n’inactivent pas des gènes importants pour l’organisme. En l’occurrence, les mécanismes qui gouvernent leur insertion sont encore loin d’être maîtrisés (ceux de leur détachement ou « excision » sont mieux connus).

Nous étudions actuellement l’activité de trois ET isolés chez un crabe du littoral atlantique et chez un ver et un crabe des sources hydrothermales médio-atlantiques. S’ils se révélaient fonctionnels dans des cellules humaines, ils pourraient enrichir la boîte à outils de la thérapie génique.

En complément...

• (1) Article de Wikipedia sur Barbara McClintock

• (2) Des caractères réversibles, Jean-François Bouhours - ci-contre

Réseau d'Enseignement en Génétique

• Analyse génétique moderne, Griffiths et coll., De Boek Ed. Chapitre 13

Quand un rétrotransposon raccourcit les pattes des chiens…

Jean-François Bouhours, directeur de recherche émérite à l’Inserm, IFR 26 (Inserm/Université de Nantes)
© stock.xchng / Sarah Williams

Parmi les 350 races de chiens répertoriées, il en existe une quarantaine qui, comme les bassets, présentent la particularité d’avoir des pattes très courtes par rapport à la taille de leur tronc. Des chercheurs viennent de découvrir1 que les bassets et leurs semblables possèdent une copie supplémentaire d’un gène appelé « facteur de croissance des fibroblastes n°4 » (FGF4). Alors que le gène original contient trois exons et deux introns, la copie contient la séquence codante sans introns : ceci est typique d’un « rétrogène », c'est-à-dire d’un gène inséré par un rétrotransposition. Il est arrivé un jour que, chez un chien, l’ARN messager de FGF4, débarrassé normalement de ses introns et épissé (voir le schéma associé à Une fabrique de protéines), s’est trouvé rétrotranscrit en ADN et inséré dans un rétrotransposon qui s’est lui-même inséré sur le même chromosome, mais très loin (30 mégabases en amont) du gène original. Ce nouveau gène, appelé fgf4 pour le distinguer de l’original, aurait pu ne pas s’exprimer et être inactivé par des mutations ou s’exprimer en même temps que les gènes qui l’entourent. En fait, il est resté fonctionnel et il s’exprime de la même façon que le gène FGF4 grâce à un promoteur présent dans le rétrotransposon et des séquences d’ADN régulatrices issues de FGF4. La protéine-facteur de croissance codée par fgf4 et FGF4 agit au moment de la croissance sur des cellules qui fabriquent le cartilage (les chondrocytes). Elle est produite en excès, ce qui conduit à une ossification précoce des zones cartilagineuses (épiphyses) à l’extrémité des os longs et empêche leur croissance normale (achondroplasie, forme de nanisme). Ainsi apparait le phénotype « pattes courtes » des bassets.

Les chercheurs ont trouvé que le même rétrogène fgf4 est présent (homozygote) dans le chromosome 18 de tous les chiens à pattes courtes et absent chez tous les autres chiens. L’évènement de rétrotransposition n’a donc eu lieu qu’une fois, probablement peu de temps après la domestication du chien à partir du loup gris d’Europe et d’Asie, il y a plus de 15 000 ans. Cette découverte montre comment un évènement de rétrotransposition peut conduire à la naissance d’un nouveau gène qui modifie le développement et les caractéristiques physiques de certains animaux d’une espèce. Darwin, qui a beaucoup observé les variations phénotypiques au sein des espèces d’élevage, pensait qu’elles étaient la clé de l’évolution.

En complément...

(1) Parker, HG et al., Science, 21 août 2009, pp 995-998

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