Le blog du Doc’

Dans leur papier paru très récemment dans Mol Biol Evol, Lercher & Pal [1] se posent une question toute simple. Si, comme on le pense, les transferts horizontaux (échanges de gènes entre des bactéries) ont une valeur adaptative, et sont utiles dans un nouvel environnement, ces gènes transférés devraient être intégrés aux réseaux existants de manière rapide. Est-ce le cas?

Le transfert d’un gène se fait en trois temps. La première est l’échange physique d’ADN entre les bactéries. Le deuxième est la dissémination de ce gène dans la population (”fixation”) [2], suivie par une étape de fine-tuning par les pressions de sélection. Est-ce aussi rapide qu’on le pense? Ces gènes transférés horizontalement sont-ils “prêts à transcrire”?

Lercher & Pal s’intéressent aux réseaux de régulation dans Escherichia coli K12, et tirent de leur analyse des résultats intéressants.

Interactions protéines/protéines (IPP)

Les gènes ayant été acquis suite à un transfert horizontal (TH) ont moins d’interactions physiques avec d’autres protéines (IPP). Les gènes les plus susceptibles d’être transférés (cette susceptibilité est définie a posteriori, après analyse) ont en moyenne 70% de contacts en moins que les gènes jamais transférés.

Cependant, les protéines codées par ces gènes transférés horizontalement (protéines GTH) représentent entre 13 et 24% des protéines ayant des interactions physiques, alors que les GTH représentent une proportion plus faible du génome. Ce résultat confirme le fait que les TH sont une force évolutive majeure chez les bactéries.

Faible connectivité

On a pensé pendant longtemps (je l’ai dit en intro) que les GTH avaient une activité condition-spécifique, et qu’ils se trouvaient en périphérie des réseaux d’interaction, ce qui a été démontré pour les réseaux métaboliques [3]. Ca semble plutôt logique : on a du mal a concevoir comment un gène arrivant d’un autre organisme pourrait devenir le hub d’un réseau. Ca impliquerait que tous ses partenaires soient déjà présents dans son nouvel hôte, et si c’était le cas, il y a de fortes chances qu’un homologue existe déjà. Il est donc plus “facile” d’intégrer un nouveau gène en périphérie d’un réseau, à un poste “condition-dépendant”.

De la même manière, les gènes impliqués dans des réseaux complexes sont moins susceptibles de faire un TH couronné de succès, selon la complexity hypothesis [4], puisqu’il leur faudra trouver leurs partenaires chez le nouvel hôte pour conférer un quelconque avantage.

Mais en soumettant des mutants KO [5] à 282 conditions environnementales différentes, Lercher & Pal ont montré qu’il n’y avait pas de relation entre le fait d’être à une place périphérique (la condition-dépendance) et le nombre d’IPP [6]. Pour eux, le fait que les gènes transférés récemment aient une connectivité faible ne s’explique pas par des considérations environnementales.

Age et connectivité

Les protéines GTH les plus anciennes (celles qui ont été transférées le plus tôt dans l’histoire évolutive de la lignée) ont en moyenne plus d’IPP que les protéines transférées plus récemment. Les protéines GTH ont (indépendamment de leur “âge”) moins d’IPP que les protéines jamais transférées.

Ce résultat indique que l’intégration d’une nouvelle protéine dans le réseau régulatoire de l’hôte prend du temps (beaucoup de temps), et que les TH sont probablement moins performants quand il s’agit de répondre à un changement environnemental rapide.

Mais plus encore, on voit ici qu’un TH est plus avantageux (et a plus de chances d’aboutir) si les partenaires sont déjà présents dans le nouvel hôte.

Expression et régulation des protéines GTH

Globalement, les protéines GTH sont moins exprimées que leurs consœurs natives. Cependant, on peut facilement trouver un pattern commun. Peu après le transfert, l’expression de la protéine connaît un boost, qui correspond à l’ajout de régulateurs cis positifs. Puis, par la suite, le fine-tuning consiste à ajouter des éléments réprésseurs, pour ajuster le niveau d’expression.

L’hypothèse qu’on fait, c’est que le taux d’évolution est plus rapide en amont du gène (et plus précisément dans les 500pb avant le gène, où se trouvent la majorité des éléments de contrôle de la transcription chez les bactéries). Et de fait, ces régions évoluent très vite. Comme souvent, la régulation porte plus sur la régulation du gène que son contenu…

Ce pattern est retrouvé aussi quand on regarde la coexpression des protéines GTH avec leurs partenaires (autrement dit, les protéines non transférées avec lesquelles elles ont des IPP). De très chaotique au début, le profil de coexpression s’affine au cours du temps.

Pour conclure…

Lercher & Pal ont donc montré que, dans la globalité, une forte connectivité est un obstacle au TH dans les réseaux de régulation chez les bactéries… Plus un réseau est connectant, plus il est robuste, et… plus il est difficile de s’y insérer [7].

Mais les GTH s’y prennent en trois temps : avec une évolution plus rapide de leur régulation, une complexification au cours du temps de leurs éléments cis qui affine leur expression, et une meilleur coexpression avec leurs partenaires.

Et surtout, Lercher & Pal mettent en avant quelque chose qui risque de faire dresser les cheveux sur la tête de pas mal de partisans de l’irreducible complexity (le courant le plus proche de la science de toute la mouvance du dessein intelligent). Il est possible qu’un facteur de transcription et ses cibles évoluent indépendamment. Il est possible de s’échanger des éléments entre réseaux différents, et de les faire travailler ensemble. Il est possible d’insérer des éléments dans un réseau existant, et que ça confère un avantage sélectif. Et plus encore, les gènes peuvent gagner des éléments cis (ou en perdre) selon les circonstances environnementales. Ces constats étaient déjà largement répandus, mais ces résultats les renforcent davantage.

Notes

1. Lercher & Pal (2008) Integration of Horizontally Transfered Genes into Regulatory Interaction Networks Takes Many Million Years, Mol Biol Evol 25(3):559–567 [↩]
2. Il faut globalement que le gène transféré confère un avantage sélectif pour qu’il se fixe, où qu’il soit neutre [↩]
3. Pal, Papp & Lercher (2005) Adaptative evolution of bacterial metabolic networks by horizontal gene transfer Nat Genet 424:194-197 [↩]
4. Jain, Rivera & Lake (1999) Horizontal gene transfer among genomes= the complexity hypothesis PNAS 96:3801-3806 [↩]
5. Auxquels on a enlevé un gène pour en comprendre la fonction [↩]
6. Cette partie du papier n’est pas très claire, à mon avis, mais je suis loin d’être un spécialiste du domaine [↩]
7. Lenski, Barrick & Ofria (2006) Balancing Robustness and Evolvability PLoS Biology http://biology.plosjournals.org/perlserv/?request=get-document&doi=10.1371/journal.pbio.0040428 [↩]

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D’où nous viennent nos gènes de vertébrés? Où plutôt, de qui ? C’est la question à laquelle Anuphap Prachumwat et Wen-Hsiung Li, de l’université de Chicago, apportent des éléments de réponse, dans une lettre adressée aujourd’hui au journal Genome research.

On imagine bien sûr que nos lointains ancêtres invertébrés, rampants et se tortillant, nous ont légué une bonne partie de leur patrimoine génétique (et qui ose parler de fardeau ici n’a jamais vu Hermissenda crassicornis). Mais alors, comment expliquer notre fière stature, et notre impeccable maintien ?

Il suffisait, pour ainsi dire, de comparer des génomes. Cette approche de génomique comparative permet de trouver ce que les vertébrés ont, et que les autres n’ont pas. Les deux auteurs ont donc mis en vis-à-vis huit génomes de vertébrés terrestres, et six d’invertébrés.

Devinez ce que leurs résultats indiquent ? 70% de nos gènes étaient déjà présents chez les invertébrés. Avec des critères d’analyse plus souples, on atteint le chiffre de 78%. Nous sommes donc différents de nos ancêtres vertébrés à hauteur de 22% de nos gènes (et non de notre génome, dont seule une infime fraction est composée de gènes).

Le travail du génomiste consiste alors à déterminer « qui » sont ces 22% de gènes. Et de ce point de vue, les résultats de Prachumwat et Li sont particulièrement intéressants. La majorité de ces gènes (plus de 50%) sont des singletons, autrement dit des gènes qui la jouent solo, sans appartenir à une famille ; ces singletons représentent à peine 25% des gènes communs. Et les protéines codées par nos gènes propres ont tendance à évoluer plus vite que celles codées par celles que nous partageons avec les invertébrés (de telles différences dans la vitesse d’évolution existent aussi entre les gènes chez les vertébrés, j’en avais déjà parlé pour les gènes “cerveau-spécifique”).

Ce résultat n’est pas surprenant en soi : ajouter les vertèbres demandait d’ajouter quelques gènes, notamment intervenant dans le développement. La plupart de nos gènes propres sont de fait impliqués dans la mise en place de l’organisation du corps. On fera ici une pause pour remarquer qu’en modifiant le contenu en gènes, on modifie le plan d’organisation. Certes, la méthode est récursive, dans la mesure ou pour déterminer la fonction d’un gène, on regarde à quel gène dont la fonction est connue il ressemble le plus. Néanmoins, on peut, par de la génomique comparative, comprendre certains mécanismes génétiques, et notamment d’un point de vue développement.

Mais là ou le travail de Prachumwat et Li devient extrêmement intéressant, c’est qu’ils ont aussi évalué la modification de la taille des familles multigéniques (celles que nous partageons avec les invertébrés). Et à ceux qui prétendent que devenir plus « complexe » c’est avoir plus de gènes, ils rétorquent que nos familles multigéniques sont parfois de même taille, mais souvent plus petites que celles des invertébrés.

Ils observent toutefois des différences entre les familles, selon les fonctions de leurs gènes. Les vertébrés ont des familles plus grandes en ce qui concerne la synthèse des protéines et la transduction du signal, alors que celles impliquées dans les procédés métaboliques se sont contractées.

Les travaux de Prachumwat et Li suggèrent donc que la taille d’une famille multigénique, et son évolution, dépend en partie de la fonction des gène qu’elle regroupe.

Référence

Prachumwat & Li (2008) Gene number expansion and contraction in vertebrate genomes with respect to invertebrate genomes, Genome research Feb. 2008, pp 221-232

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…n’est pas toujours rose.

Le jeu de mots est discutable, mais c’est bien le titre que j’ai donné à ma brève publiée ce matin sur SpectroSciences à propos du papier de Ford & Myers paru avant-hier dans PLoS Biology.

Merci encore à Guillaume pour son invitation.

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Je profite des dernières minutes de ma pause du midi pour (1) digérer mes crêpes nutella/chantilly et (2) vous faire part de ma dernière lecture “hors stage” en date : un papier de Catalano, Bruckner et Smith, paru dans les PNAS de ce jour, et dans lequel les auteurs s’interrogent sur les effets de la température ambiante sur la longévité des mâles et le taux de masculinité (nombre de mâles/effectif total) de la population Scandinave.

Je vous vois venir avec toutes vos questions : Pourquoi les californiens iraient chercher des patterns dans une population scandinave? Parce qu’il faut un stress de température assez conséquent, et que d’après mon expérience, la scandinavie est pas mal située pour ce genre d’études. Et pourquoi il faut un stress de température? La ça devient plus intéressant… Chercher la relation entre température et taux de masculinité, ca fait appel à plein de questions de biologie évolutives, questions ouvertes et très drôles, au nombre desquelles figure la très célbèbre “pourquoi le sexe?”, par exemple.

Dans notre cas, la question est plutôt “pourquoi la température influerait-elle le taux de masculinité?”. Dans l’orthodoxie Darwinienne la plus pure, l’interet de tout organisme est de rechercher le bénéfice personnel immédiat, ce qui se traduit par une maximisation de la fitness, qu’on peut résumer comme étant le nombre moyen de descendants à la génération suivante (autrement dit, l’espérance que vous avez au temps t de voir vos gènes arriver en t+1). Pour un mâle, c’est facile, il suffit de transmettre quelques gamètes, et après on n’a pas besoin de se soucier des conséquences (sauf si on est un hippocampe, un poisson clown, ou autres exceptions). D’autant que les dites gamètes sont, comme je le faisais remarquer l’autre jour chez les emplumés, des parasites.

Mais pour les femmelles, c’est souvent plus compliqué. Alors elles ont développé, ces garces, des mécanismes qui leur permettraient de se débarasser des foetus males les moins à même de donner une descendance (remarquez donc que ce mécanisme agit au temps t en fonction des résultats estimés en… t+2!). Notons que l’emploi de “ces garces” est totalement ironique ici, au regard de ce que nous les mâles avons développé comme subterfuges pour parvenir à nos fins (je ne desespère pas d’avoir le temps d’en parler un jour…).

Il existe donc une sélection in utero, qui se répercute sur la population globale. Qu’est-ce qui déclenche cette sélection? Les facteurs de stress environnementaux, qui conditionneront la survie de la progéniture à naître. Et parmi les facteurs de stress, la température est non négligeable (j’avoue que ce n’est pas tout à fait le hasard qui m’a fait lire ce papier, j’ai des préoccupations assez température-centrées ces derniers mois). Et on a remarqué que chez les scandinaves, les grossesses n’atteignant pas le terme affectaient plus particulièrement les mâles que les femelles quand le second ou troisième trimestre de gestation était synchrone aux mois les plus froids de l’hiver. Ce phénomène est aggravé en scandinavie, qui n’est pas caractérisé par ses étés caniculaires, et qui ne permet pas de mettre en place de comportements “réparateurs” pour contrer les effets hivernaux.

Et qu’est-ce que les auteurs ont trouvé? Que le taux de masculinité augmente avec les périodes chaudes (les femelles, pour qui toute reproduction est un “risque” évolutivement parlant, parce que coûteux, peuvent se permettre de donner naissance à des mâles moins fit), et décroît avec les périodes froides (avec en prime une p<0.0001, donc un corrélation significative). Notons aussi que les auteurs ont testé les autocorrélations temporelles dans leur échantillon, pour ne pas se retrouver avec un super-artefact (et ils notent des “échos” à 5 ans, mais je ne rentre pas dans les détails mathématiques).

Et l’espérance de vie? Vous n’ignorez pas qu’elle a augmenté significativement ces dernières années. Les auteurs ont donc établi une correction, et ont pu mettre en évidence que l’augmentation de température ne jouait pas en notre faveur, puisqu’une augmentation d’1C° entraînait une diminution du lifespan de 14 jours. Etrangement, ce résultat est à peine discuté. Je soupçonne fortement que les statistiques ne soient pas aussi belles que pour le taux de masculinité (il doit y avoir des autocorrélations un peu plus violentes, ou autre tracasserie inhérente au suivi temporel).

Alors, conclusion? Il serait intéressant de chercher à caractériser les effets de températures plus élevées. Mais dans l’ensemble, ce papier met en avant une modification des caractéristiques des populations humaines médiée par le climat, et nous montre un aspect encore insoupçonné du réchauffement climatique…

1. Ralph Catalano, Tim Bruckner, and Kirk R. Smith, “Ambient temperature predicts sex ratios and male longevity,” Proceedings of the National Academy of Sciences (February 4, 2008) 105:6 http://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.0710711104

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Parmi les différentes maladies émergentes qui devraient nous préoccuper en ce moment, le chikungunya (CHIKV pour les scientifiques, chik’ pour les autres) est assez bien placé. Cet arbovirus (Arthropode borne virus, virus porté par des arthropodes) est responsable d’une épidémie hyper-médiatisée en 2005-2006 à la Réunion, ainsi que d’un épisode épidémique (nettement moins couvert, lui) en italie. L’épidémie est retombée (1 cas confirmé sur 15 soupçonnés à la Réunion en Novembre 2007), mais la surveillance continue.

L’épidémie de la Réunion a atteint 266000 cas humains, associés à un mutant de la souche LR2006 OPY1 (La Réunion 2006, code OPY1, probablement une indication de lieu de prélèvement) répondant au doux nom de E1-A226V. Ceux qui parlent le virologiste (ou le généticien) couramment auront reconnu une mutation du gène codant la protéine d’enveloppe E1, à la position 226, ou l’alanine devient une valine. Pour éviter de perdre trop de lecteurs, on va aller back to basics.

Et on va commencer par un peu d’épidémiologie. Le chik’ est une maladie vectorielle, ou plutôt, l’agent pathogène a un mode de transmission vectoriel. Qu’est-ce à dire? Chik’ est un virus, qui pour aller rejoindre son hôte définitif, passe par un vecteur, le moustique Aedes (sp. albopictus ou aegypti, et d’autres probablement). Avant que vous ne soyez infectés, il faut donc que des particules virales passent dans un vecteur (le moustique), qu’elles y fassent un petit tour dans différents organes, avant d’arriver au niveaux des glandes salivaires, et de passer à l’homme pendant le repas de sang du moustique.

Une fois dans votre organisme, un virus doit passer par différentes phases pour exprimer son génome. Une des plus précoces est de se coller à une de vos cellules puis d’y rentrer, et c’est en partie à cela que sert la protéine de surface E1. Toutes ces étapes dépendent de beaucoup de paramètres, notamment la conformation des protéines d’adhésion, et conditionnent le succès des infestations, et donc le déclenchement de l’épidémie.

Une équipe de l’université du Texas, dirigée par Stephen Higgs, a décidé de s’intéresser à l’influence du variant E1-A226V sur l’épidémie. Leurs résultats paraissent dans le PLoS Pathogens d’aujourd’hui, ce qui me donne l’occasion de refaire un peu de blogging on peer-reviewed research…

Le variant a des effets différents sur les deux vecteurs, que nous appellerons albo et aegy (parce qu’écrire A. albopictus et A. aegypti, c’est long). Chez albo, on assiste à une augmentation de l’infectivité, et de la transmission (fréquence de piqûre). Chez aegy, en revanche, le parcours du virus est rendu plus difficile.

Alors, le rapport avec l’épidémie me demanderez vous? J’y viens. Pour des raisons qui tiennent de l’écologie, albo est plus présent que aegy à la Réunion (mais pas que). Voilà, le moustique qui assure le meilleur succès à son virus est le plus présent. Tout est réuni pour une épidémie, et même plus.

Albo est présent en Europe et en Amérique. Il existe donc un risque de voir chik’ devenir endémique (endémo-épidémique doit être plus exact) dans ces régions, comme il l’est actuellement en Asie. On en rajoute une couche? L’épidémie de 2005 2006 était une première dans l’histoire du chik’. Le vecteur qui a causé le plus de transmissions était, non plus aegy, mais albo…

Le papier

A Single Mutation in Chikungunya Virus Affects Vector Specificity and Epidemic Potential
Tsetsarkin KA, Vanlandingham DL, McGee CE, Higgs S
PLoS Pathogens Vol. 3, No. 12, e201 doi:10.1371/journal.ppat.0030201

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