Près de la moitié de notre ADN a été considéré comme des déchets, les rebuts de l’évolution : des gènes mis à l’écart ou brisés, des virus qui se sont coincés dans notre génome et ont été démembrés ou réduits au silence, rien de tout cela ne concerne l’organisme humain ou l’évolution humaine.
Mais la recherche au cours de la dernière décennie a montré qu’une partie de cette « matière noire » génétique a une fonction, principalement dans la régulation de l’expression des gènes de l’hôte – à peine 2% de notre génome total – qui codent pour les protéines. Cependant, les biologistes continuent de débattre pour savoir si ces séquences régulatrices d’ADN jouent un rôle essentiel ou néfaste dans le corps ou si elles sont simplement fortuites, un accident sans lequel l’organisme peut vivre.
Une nouvelle étude menée par des chercheurs de l’Université de Californie, de Berkeley et de l’Université de Washington a exploré la fonction d’un composant de cet ADN indésirable, les transposons, qui sont des séquences d’ADN égoïstes capables d’envahir le génome de leur hôte. L’étude montre qu’au moins une famille de transposons – d’anciens virus qui ont envahi notre génome par millions – joue un rôle essentiel dans la viabilité chez la souris, et peut-être chez tous les mammifères. Lorsque les chercheurs ont éliminé un transposon spécifique chez la souris, la moitié de leurs petits souris sont morts avant la naissance.
C’est le premier exemple d’un morceau d’« ADN indésirable » essentiel à la survie des mammifères.
Chez la souris, ce transposon régule la prolifération des cellules dans l’embryon fécondé précoce et le moment de l’implantation dans l’utérus de la mère. Les chercheurs ont examiné sept autres espèces de mammifères, y compris les humains, et ont également trouvé des éléments régulateurs dérivés du virus liés à la prolifération cellulaire et au moment de l’implantation de l’embryon, suggérant que l’ADN viral ancien a été domestiqué indépendamment pour jouer un rôle crucial dans le développement embryonnaire précoce dans tous les cas. mammifères.
Selon l’auteur principal Lin He, professeur de biologie moléculaire et cellulaire à l’UC Berkeley, les résultats mettent en évidence un moteur de l’évolution souvent ignoré : les virus qui s’intègrent dans notre génome et sont réutilisés en tant que régulateurs des gènes de l’hôte, ouvrant ainsi des options évolutives non disponibles auparavant.
« La souris et les humains partagent 99% de leurs gènes codant des protéines dans leurs génomes – nous sommes très similaires les uns avec les autres », a-t-il déclaré. « Alors, qu’est-ce qui constitue les différences entre les souris et les humains ? L’une des principales différences est la régulation des gènes – les souris et les humains ont les mêmes gènes, mais ils peuvent être régulés différemment. Les transposons ont la capacité de générer une grande diversité de régulation des gènes et pourrait nous aider à comprendre les différences spécifiques aux espèces dans le monde. »
Le collègue et co-auteur principal Ting Wang, professeur émérite de médecine Sanford et Karen Loewentheil au département de génétique de la Washington University School of Medicine à St. Louis, Missouri, est d’accord.
« La vraie signification de cette histoire est qu’elle nous dit comment l’évolution fonctionne de la manière la plus inattendue possible », a déclaré Wang. « Les transposons ont longtemps été considérés comme du matériel génétique inutile, mais ils constituent une si grande partie du génome des mammifères. De nombreuses études intéressantes montrent que les transposons sont une force motrice de l’évolution du génome humain. Pourtant, c’est le premier exemple que je connaisse. où la suppression d’un morceau d’ADN indésirable conduit à un phénotype mortel, démontrant que la fonction de transposons spécifiques peut être essentielle. »
La découverte pourrait avoir des implications pour l’infertilité humaine. Selon le premier auteur Andrew Modzelewski, un boursier postdoctoral de l’UC Berkeley, près de la moitié de toutes les fausses couches chez l’homme ne sont pas diagnostiquées ou n’ont pas de composante génétique claire. Des transposons comme celui-ci pourraient-ils être impliqués ?
« Si 50% de notre génome est non codant ou répétitif – cette matière noire – il est très tentant de se demander si la reproduction humaine et les causes de l’infertilité humaine peuvent être expliquées par des séquences d’ADN indésirables », a-t-il déclaré. .
Implantation d’embryons
Lui, Thomas and Stacey Siebel Distinguished Chair Professor à l’UC Berkeley, étudie les 98 % ou plus de notre génome qui ne code pas pour les protéines. Pendant la majeure partie de sa carrière, He s’est concentrée sur les microARN et les morceaux plus longs d’ARN non codants, qui sont tous deux de puissants régulateurs de gènes. Il y a cinq ans, cependant, son équipe a accidentellement découvert un régulateur de microARN pour une famille de transposons appelée MERVL (éléments rétroviraux endogènes de souris) qui était impliqué dans la détermination du destin cellulaire des embryons de souris précoces. L’abondance inattendue de la transcription des transposons dans les embryons de souris a conduit l’équipe de He à étudier les fonctions de développement des transposons, qui ont élu domicile dans les génomes de presque tous les organismes sur Terre.
Dans un article paru cette semaine dans le journal Cellule, lui et son équipe identifient l’ADN régulateur clé impliqué : un morceau d’un transposon – un promoteur viral – qui a été réutilisé comme promoteur d’un gène de souris qui produit une protéine impliquée dans la prolifération cellulaire dans l’embryon en développement et dans le moment de l’implantation de l’embryon. Un promoteur est une courte séquence d’ADN qui est nécessaire en amont d’un gène pour que le gène soit transcrit et exprimé.
Les souris sauvages utilisent ce promoteur de transposon, appelé MT2B2, pour initier la transcription du gène Cdk2ap1 spécifiquement dans les embryons précoces afin de produire une courte protéine « isoforme » qui augmente la prolifération cellulaire dans l’embryon fécondé et accélère son implantation dans l’utérus. En utilisant CRISPR-EZ, une technique simple et peu coûteuse que Modzelewski et He ont développée il y a plusieurs années, ils ont désactivé le promoteur MT2B2 et ont découvert que les souris exprimaient plutôt le gène Cdk2ap1 de son promoteur par défaut sous la forme d’une forme plus longue de la protéine, une longue isoforme, qui a eu l’effet inverse : diminution de la prolifération cellulaire et retard d’implantation.
Le résultat de ce KO a été la mort à la naissance d’environ la moitié des chiots.
Modzelewski a déclaré que la forme courte de la protéine semble rendre les nombreux embryons de la souris implantés avec un espacement régulier dans l’utérus, empêchant l’encombrement. Lorsque le promoteur est éliminé de sorte que la forme longue est présente uniquement, les embryons s’implantent apparemment au hasard, certains d’entre eux sur le col de l’utérus, ce qui bloque la sortie du fœtus pleinement développé et tue parfois la mère pendant le processus d’accouchement.
Ils ont découvert que dans les 24 heures précédant l’implantation de l’embryon, le promoteur MT2B2 accélère l’expression du gène Cdk2ap1 à un point tel que la forme courte de la protéine représente 95 % des deux isoformes présentes dans les embryons. L’isoforme longue est normalement produite plus tard dans la gestation lorsque le promoteur par défaut en amont du gène Cdk2ap1 devient actif.
En collaboration avec Wanqing Shao, co-premier auteur de l’étude et chercheur postdoctoral dans le groupe de Wang à l’Université de Washington, l’équipe a recherché dans les données publiées sur les embryons préimplantatoires de huit espèces de mammifères – humain, singe rhésus, ouistiti, souris, chèvre, vache , porc et opossum — pour voir si les transposons sont activés brièvement avant l’implantation dans d’autres espèces. Ces données en ligne provenaient d’une technique appelée séquençage d’ARN à cellule unique, ou scRNA-seq, qui enregistre les niveaux d’ARN messager dans des cellules individuelles, une indication des gènes qui sont activés et transcrits. Dans tous les cas, ils ont dû récupérer les données sur l’ADN non codant car il est généralement supprimé avant l’analyse, avec la présomption que ce n’est pas important.
Alors que les transposons sont généralement spécifiques à des espèces individuelles – les humains et les souris, par exemple, ont des ensembles largement différents – les chercheurs ont découvert que différentes familles de transposons spécifiques à l’espèce étaient activées brièvement avant l’implantation chez les huit mammifères, y compris l’opossum, le seul mammifère du groupe qui n’utilise pas de placenta pour implanter des embryons dans l’utérus.
« Ce qui est étonnant, c’est que différentes espèces ont des transposons largement différents qui sont exprimés dans les embryons préimplantatoires, mais les profils d’expression globaux de ces transposons sont presque identiques parmi toutes les espèces de mammifères », a-t-il déclaré.
Collègue et co-auteur principal Davide Risso, un ancien boursier postdoctoral de l’UC Berkeley et maintenant professeur agrégé de statistiques à l’Université de Padoue en Italie, a développé une méthode pour lier des transposons spécifiques aux gènes de préimplantation afin d’éliminer les milliers de copies de transposons apparentés qui existent dans le génome. Cette méthode est cruciale pour identifier les éléments de transposon individuels avec une activité de régulation génique importante.
« Il est intéressant de noter que les données que nous avons utilisées étaient principalement basées sur la technologie de séquençage précédente, appelée SMART-seq, qui couvre la séquence complète des molécules d’ARN. La technique populaire actuelle, la technologie génomique 10x, ne nous aurait pas montré la différents niveaux d’isoformes de protéines. Ils les ignorent », a déclaré Risso.
Les virus sont un réservoir évolutif
Les chercheurs ont découvert que dans presque toutes les huit espèces de mammifères, des isoformes Cdk2ap1 courtes et longues apparaissent, mais sont activées à des moments différents et dans des proportions différentes qui correspondent au fait que les embryons s’implantent tôt, comme chez la souris, ou tardivement, comme chez les vaches. et cochons. Ainsi, au niveau des protéines, les isoformes courtes et longues semblent conservées, mais leurs modèles d’expression sont spécifiques à l’espèce.
« Si vous avez beaucoup d’isoforme courte Cdk2ap1, comme les souris, vous implantez très tôt, tandis que chez des espèces comme la vache et le porc, qui n’ont pas ou très peu d’isoforme courte, il faut jusqu’à deux semaines ou plus pour l’implantation, » a déclaré Modzelewski.
Wang soupçonne que le promoteur qui génère la forme longue de la protéine pourrait être le promoteur d’origine de la souris, mais qu’un virus qui s’est intégré dans le génome il y a longtemps a ensuite été adapté comme élément régulateur pour produire la forme plus courte et l’effet inverse.
« Donc, ce qui s’est passé ici, c’est qu’un virus spécifique à un rongeur est entré, puis d’une manière ou d’une autre, l’hôte a décidé : « OK, je vais vous utiliser comme promoteur pour exprimer cette isoforme Cdk2ap1 plus courte. » Nous voyons la redondance intégrée au système, où nous pouvons tirer parti de tout ce que la nature nous réserve et le rendre utile », a-t-il déclaré. « Et puis, ce nouveau promoteur s’est avéré être plus fort que l’ancien promoteur. Je pense que cela a fondamentalement changé le phénotype des rongeurs; c’est peut-être ce qui les fait grandir plus vite – un cadeau d’avoir un temps de pré-implantation plus court. Donc, ils ont probablement a obtenu un certain avantage de remise en forme de ce virus. »
« Quoi que vous regardiez en biologie, vous verrez des transposons être utilisés, simplement parce qu’il y a tellement de séquences », a ajouté Wang. « Ils fournissent essentiellement un réservoir évolutif sur lequel la sélection peut agir. »
Les autres co-auteurs de l’étude sont Jingqi Chen, Angus Lee, Xin Qi, Mackenzie Noon, Kristy Tjokro et Anne Biton de UC Berkeley ; Terry Speed de l’Institut de recherche médicale Walter et Eliza Hall à Melbourne, Australie; Aparna Anand de l’Université de Washington et Gabriele Sales de l’Université de Padoue. Le travail a été financé principalement par le prix de chercheur du Howard Hughes Medical Institute et les National Institutes of Health.
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