1-A-2 - Diversification génétique et diversification des êtres vivants

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, par Pascal COMBEMOREL

Dans ce chapitre nous allons nous intéresser aux processus de diversification des êtres vivants, c’est-à-dire aux mécanismes responsables de l’apparition de nouveaux caractères (physiques ou comportementaux) chez des êtres vivants. Autrement dit, il s’agit de voir quels processus peuvent faire apparaître de nouveaux phénotypes chez les êtres vivants.

Quels mécanismes permettent d’expliquer l’apparition de caractères nouveaux chez les êtres vivants ?

 Diversification des êtres vivants avec diversification génétique

La diversification des êtres vivants peut provenir de mutations au sens large, c’est-à-dire de modifications de leur ADN.

Les mutations des séquences codantes des gènes

Un gène est un morceau d’ADN déterminant un caractère héréditaire. Les gènes sont généralement formés d’une séquence codante, qui sera transcrite en ARNm, puis traduite en protéine (programme de 1re S), et de séquences régulatrices qui contrôlent l’expression de la séquence codante.

Des mutations ponctuelles, n’affectant qu’un seul ou quelques nucléotides, peuvent se produire au niveau de la séquence codante. La protéine produite à partir de cette séquence mutée pourra alors être différente de la protéine d’origine. Cette nouvelle protéine pourra donc avoir un fonctionnement différent dans la cellule, avec des répercussions pouvant se faire jusqu’au niveau de l’organisme.

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L’influence des mutations sur le phénotype : l’exemple du gène HBB
A. Chez les individus possédant deux allèles HbA, tous les globules rouges sont normaux, c’est-à-dire ayant la forme d’un disque biconcave.
B. Chez les individus possédant au moins deux allèles HbS, les globules rouges sont déformés.
C. Comparaison des séquences des allèles HbA et HbS du gène HBB. Sur un total de 444 nucléotides pour la séquence codante du gène HBB, seul un nucléotide diffère entre les deux allèles (les nucléotides identiques sont indiqués par un tiret).
Source des images : Janice Haney Carr. Domaine public.

Par exemple le gène HBB code la β-globine, une protéine constituant l’hémoglobine. Cette protéine est présente dans les globules rouges du sang, et sert à transporter le dioxygène. L’allèle HbS du gène HBB ne diffère que d’un seul nucléotide par rapport à l’allèle sauvage, noté HbA. Les individus possédant deux allèles HbS sont atteints d’une maladie génétique : la drépanocytose. En effet, à cause de la mutation, la protéine β-globine a une forme anormale. Cela a pour conséquence, au niveau cellulaire, de déformer les globules rouges et, au niveau de l’organisme, de perturber l’approvisionnement en dioxygène des différents organes.

Précision : les mutations se produisant au niveau de la séquence codante peuvent aussi être neutres. Cela veut dire qu’elles ne modifient pas le fonctionnement de la protéine. L’effet d’une mutation dépend en fait de la partie de la protéine qui est touchée : certaines parties de la protéine sont essentielles à son fonctionnement, tandis que d’autres peuvent être modifiées sans impact sur l’activité de la protéine.

Les mutations des séquences régulatrices : l’exemple des modifications de l’expression des gènes de développement

De nombreux gènes sont exprimés durant le développement de l’embryon et permettent sa construction « correcte ». Ce sont les gènes de développement.

Les séquences codantes des gène de développement sont souvent assez conservées entre organismes proches. Par exemple tous les animaux possèdent une catégorie de gènes de développement, les gènes Hox, qui sont responsables de l’organisation antéro-postérieure de l’embryon (organisation des différents organes le long de l’axe tête-queue). Les séquences codantes de ces gènes Hox sont peu différentes d’un animal à un autre. Par contre, les séquences régulatrices de ces gènes présentent des différences, qui sont responsables de variations dans la chronologie, dans la localisation et dans l’intensité de l’expression de ces gènes Hox chez les différentes espèces animales. Ainsi, les araignées, les cloportes ou les mille-pattes présentent des différences d’organisation au niveau de leur axe antéro-postérieur (nombre de pattes par exemple) qui ne sont pas tant dues à des modifications des séquences codantes des gènes Hox qu’à des modifications des séquences régulatrices de ces gènes.

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Gènes de développement et organisation du corps de différents arthropodes
Chez les Chélicérates (ex : araignées), les Myriapodes (ex : lithobies) et les Crustacés (ex : cloportes), l’organisation antéropostérieure du corps diffère. Il n’y a, par exemple, pas le même nombre de paires de pattes dans ces différents groupes d’animaux. Pourtant, les gènes exprimés diffèrent peu. Ce qui change, ce sont les territoires d’expression de ces gènes, représentés par des barres de couleur sur l’image de gauche.

Des modifications de l’intensité d’expression ou de la chronologie d’expression des gènes du développement peuvent mener à une grande diversité phénotypique. Il s’agit donc de processus de diversification du vivant.

Le brassage génétique permis par la méiose et la fécondation

Les brassages intra et interchromosomiques, associés à la fécondation, sont responsables de la diversité des individus obtenus par reproduction sexuée.

Les mutations pouvant se produire lors de la reproduction sexuée, et plus précisément pendant la méiose (crossing-over inégaux et anomalies du nombre de chromosomes), lorsqu’elles sont viables, mènent à une diversification des êtres vivants : individus avec des gènes en plus, des chromosomes en plus, etc.

Revoir le chapitre 1-A-1 - Le brassage génétique et sa contribution à la diversité génétique.

L’hybridation suivie de polyploïdisation

Une espèce peut être définie comme un ensemble d’individus capables de se reproduire entre eux et dont les descendants sont eux-mêmes capables de se reproduire. Des individus appartenant à deux espèces différentes ne peuvent donc normalement pas se reproduire ensemble (par définition même du mot « espèce »). L’une des raisons est que les gamètes de tels individus ne possèdent pas les mêmes gènes et donc, même si la fécondation a lieu, les gènes des deux espèces ne pourront pas « travailler ensemble » pour permettre le développement de l’embryon.

Cependant, si les deux espèces considérées sont suffisamment proches, leurs gènes sont donc peu différents, et il se peut alors qu’elles produisent des individus hybrides viables. C’est par exemple le cas de la mule et du mulet, qui sont des hybrides provenant du croisement entre un âne et une jument. Les hybrides sont cependant le plus souvent stériles, car les chromosomes ne se répartissent pas correctement lors de la méiose. Il peut cependant arriver chez les individus hybrides un événement de polyploïdisation : le stock de chromosomes se double. Dans ce cas, les chromosomes peuvent bien se répartir par paires d’homologues lors de la méiose. Des gamètes « normaux » sont produits : les hybrides sont fertiles. Ce phénomène d’hybridation suivie de polyploïdisation est assez fréquent chez les végétaux, mais rare chez les animaux.

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Un exemple d’espèce provenant d’un événement d’hybridation suivie de polyploïdisation : le blé dur
L’étude du caryotype du blé dur montre qu’une moitié de ses chromosomes provient de l’engrain tandis que l’autre moitié provient de l’espèce A. speltoides. Le blé dur est donc un hybride, qui est fertile car les chromosomes des deux espèces parentales ont été dupliqués. Le blé dur est ainsi une espèce tétraploïde : elle possède chaque chromosome en 4 exemplaires. Son caryotype peut-être noté 4n.

Les hybrides possèdent des génomes différents de ceux des espèces dont ils proviennent. Ils ont donc également des phénotypes différents. L’hybridation suivie de polyploïdisation est donc bien un mécanisme de diversification du vivant.

Les transferts horizontaux de gènes : l’exemple des transferts par voie virale

Un transfert horizontal de gène est transfert de gène entre deux individus non apparentés.

Chez l’être humain, comme chez d’autres espèces, de nombreux gènes ont une origine virale. En effet, certains virus ont un mode de réplication qui passe par l’intégration de leurs gènes dans le génome de leur cellule hôte. Si cette intégration se fait dans le génome d’une cellule germinale, le gène d’origine virale peut être transmis à la descendance. La plupart des gènes d’origine virale présents dans le génome humain sont inactifs, mais certains codent des protéines utiles à l’organisme ! C’est par exemple le cas du gène codant la syncytine, protéine qui permet la formation du placenta chez l’être humain et chez de nombreux autres Mammifères.

Les transferts par voie virale permettent donc une diversification du vivant en étant responsable de l’apparition de nouveaux caractères.

 Diversification des êtres vivants sans diversification génétique

Nous allons maintenant aborder des mécanismes de diversification des êtres vivants ne faisant pas intervenir de diversification génétique (pas de changement de l’ADN des organismes concernés).

Les associations entre espèces : l’exemple des symbioses

Une symbiose est une association à bénéfice réciproque entre deux espèces associées physiquement.

Par exemple, les lichens sont des êtres vivants qui sont formés par l’association d’une espèce d’algue avec une espèce de champignon (ces espèces sont différentes selon les lichens considérés). Cette association donne au lichen des caractères que l’algue seule ou le champignon seul ne posséderaient pas. Les lichens sont ainsi capables :

  • de s’installer sur des milieux très pauvres en éléments nutritifs ;
  • de résister à des températures extrêmes (– 40 °C) ;
  • de produire molécules originales (acides lichéniques).
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Les lichens : des symbioses algues-champignons
Cette image montre différentes espèces de lichens poussant sur un substrat rocheux. Le stylo donne l’échelle.
Source : P. Combemorel. Licence CC-BY

La transmission de comportements

De nombreux comportements se transmettent d’une génération par voie non génétique : ce sont les adultes qui apprennent aux enfants ces comportements.

Par exemple, un oiseau qui naît ne sait pas chanter. S’il est élevé seul, en l’absence d’adultes, il ne possédera qu’un répertoire réduit de notes. En revanche, les oiseaux élevés avec des adultes acquièrent progressivement le chant caractéristique de leur espèce. Par ailleurs, un oiseau élevé par des adultes d’une autre espèce essaiera, tant bien que mal, d’imiter le chant de son espèce d’adoption.
Tous ces éléments montrent que le chant des oiseaux n’est pas acquis dès la naissance mais résulte d’un apprentissage : le chant est transmis des adultes aux enfants.
Si un adulte produit un nouveau chant, celui-ci pourra être transmis à sa descendance. On aura donc une diversification des êtres vivants.

De manière générale, des comportements nouveaux peuvent apparaître chez des individus et ensuite être transmis à d’autres individus, sans modification du génome. L’apparition de comportement nouveaux et leur transmission est donc une source de diversification des êtres vivants.