L’étude du génome de petits poissons révèle les forces sous-jacentes responsables de l’évolution répétée
Dans quelle mesure l’évolution est-elle prévisible? Si nous pouvions rembobiner la trame de la vie avec les mêmes contraintes environnementales à l’œuvre, l’évolution aboutirait-elle au même résultat? Ces questions ont longtemps fasciné les biologistes évolutionnistes qui s’efforcent de délimiter le rôle des événements aléatoires par rapport aux processus déterministes dans l’histoire de l’évolution des organismes. «Observer comment les organismes ont évolué au fil du temps et se sont adaptés en réponse à des changements environnementaux similaires pourrait aider les chercheurs à prédire comment les bactéries ou les virus sont susceptibles de s’adapter aux thérapies médicamenteuses. Les approches évolutionnistes pourraient donc s’avérer utiles pour améliorer les thérapies antibiotiques», fait remarquer Catherine Peichel, coordinatrice de PLEVOCON, un projet Marie Skłodowska-Curie.
Un banc d’essai pour les expériences d’évolution naturelle
L’épinoche, un poisson de la taille d’un doigt présent dans tout l’hémisphère nord, est une référence en matière de biologie de l’évolution. Avec la fonte des glaces du Groenland survenue à la fin du dernier maximum glaciaire, les épinoches sont passées de l’eau de mer à l’eau douce en à peine 15 000 ans. En colonisant de nouveaux environnements d’eau douce dans différentes régions, elles ont montré des similitudes dans leur phénotype, un phénomène connu sous le nom d’évolution parallèle. Les populations d’épinoches que l’on trouve dans les grands lacs ont tendance à avoir un corps court et mince, de grands yeux et des structures adaptées leur permettant de se nourrir de zooplancton dans les eaux de surface. Contrairement à leurs homologues limnétiques (vivant dans les lacs), les populations benthiques qui résident dans les cours d’eau présentent souvent un corps plus long et plus épais et des yeux plus petits. «Ces schémas divergents d’épinoches des lacs et des cours d’eau se répètent sans cesse dans les populations géographiquement isolées», remarque Catherine Peichel. Si ces traits phénotypiques répétitifs ont émergé dans plusieurs lignées évolutives indépendamment les unes des autres, cela indique que l’évolution a répondu à des conditions environnementales similaires en utilisant les mêmes mécanismes. «L’évolution n’est pas toujours le produit de processus aléatoires. Elle suit également des processus déterministes, en arrivant toujours à la même solution», ajoute Catherine Peichel.
Dévoiler la base génétique sous-jacente de l’évolution répétée
PLEVOCON ne s’est pas limité à une étude en surface, identifiant et répétant des modèles d’évolution parallèle dans le génome des poissons, mais a plutôt cherché à étudier ce qui motive ces répétitions. Les mêmes gènes (ou loci) et les mêmes mécanismes génétiques sont-ils déclenchés à chaque fois pour produire les modèles divergents que nous observons dans des organismes qui semblent similaires? Les chercheurs ont mené une étude de séquençage du génome complet sur 16 couples d’épinoches vivant dans les eaux douces de l’île de Vancouver, au Canada, et ont découvert qu’environ 30 % des régions génomiques hautement différenciées évoluaient en parallèle. Des études comparatives ont montré que les taux de mutation et de recombinaison entre les fenêtres coulissantes parallèles et non parallèles ne différaient pas de manière significative. En revanche, elles ont montré que les régions génomiques parallèles contenaient un plus grand nombre de gènes pléiotropiques – des gènes contribuant à de multiples traits phénotypiques. L’équipe a eu recours à deux méthodes différentes pour étudier la relation entre la pléiotropie et l’évolution parallèle. Tout d’abord, ils ont parcouru de grandes bases de données génétiques à la recherche de loci de caractère quantitatif – des régions spécifiques du génome où les gènes interagissent pour former des traits phénotypiques complexes – et ont découvert que des fenêtres parallèles abritaient un plus grand nombre de ces régions. Ensuite, ils ont utilisé les données de séquençage de l’ARN provenant d’études antérieures sur les épinoches pour rechercher des modèles de co-expression des gènes. Les résultats ont révélé que les fenêtres parallèles agissaient comme un foyer pour les gènes fortement corrélés, qui servent d’indicateur de pléiotropie. «Nos résultats vont à l’encontre des prédictions selon lesquelles les gènes non pléiotropes sont plus libres d’évoluer en parallèle. Les gènes présentant un niveau de pléiotropie très élevé pourraient en effet retarder l’adaptation, tandis que les gènes présentant une pléiotropie limitée ont tendance à la favoriser», conclut Catherine Peichel.
Mots‑clés
PLEVOCON, pléiotropie, génome, épinoche, évolution parallèle, trait phénotypique, loci de trait quantitatif, co-expression de gène