La complexification des génomes

L’universalité de l’ADN et l’unicité de sa structure dans le monde vivant autorisent des échanges génétiques entre organismes non nécessairement apparentés.

Des échanges de matériel génétique, hors de la reproduction sexuée, constituent des transferts horizontaux. Ils se font par des processus variés (vecteurs viraux, conjugaison bactérienne…).

Les transferts horizontaux sont très fréquents et ont des effets très importants sur l’évolution des populations et des écosystèmes. Les pratiques de santé humaine sont concernées (propagation des résistances aux antibiotiques).

Les endosymbioses transmises entre générations, fréquentes dans l’histoire des eucaryotes, jouent un rôle important dans leur évolution. Le génome de la cellule (bactérie ou eucaryote) intégré dans une cellule hôte régresse au cours des générations, certains de ses gènes étant transférés dans le noyau de l’hôte. Ce processus est à l’origine des mitochondries et des chloroplastes, organites contenant de l’ADN.

Diaporama du chapitre "La complexification des génomes"

Activité : expériences historiques de transformation bactérienne

Activité : l’origine endosymbiotique des chloroplastes et des mitochondries

TP : transfert horizontal de gène à l’origine du placenta

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I – Les transferts d’ADN entre les êtres vivants

L’observation de la transmission du phénotype pathogène entre souches de bactéries différentes a mis en évidence le transfert d’informations génétiques entre individus.

Il existe plusieurs mécanismes de transfert du matériel génétique chez les bactéries :

• La transformation : de l’ADN libre dans le milieu peut être incorporé au génome des bactéries ;

• La transduction (ou transfert viral) : lors de l’infection d’une bactérie par un virus bactériophage, des fragments d’ADN de la bactérie hôte peuvent être emportés par le virus et intégrés au génome de la prochaine bactérie infectée ;

• La conjugaison : les bactéries établissent des ponts entre elles par lesquels elles échangent des molécules, dont l’ADN.

La transmission d’ADN entre individus d’une même génération, pas forcément apparentés, constitue un transfert horizontal, à distinguer du transfert vertical, qui se produit lors de la reproduction par passage du patrimoine génétique d’une génération à la suivante.

Les transferts génétiques sont observés même entre groupes d’êtres vivants très éloignés d’un point de vue phylogénétique. Ceci s’explique par l’universalité de la molécule d’ADN comme support de l’information génétique au sein du monde vivant.

Le séquençage et la comparaison des génomes révèlent que toutes les espèces contiennent des gènes provenant d’autres espèces, y compris d’espèces vraiment très éloignées sur le plan phylogénétique. Par exemple, on a identifié chez l’humain des gènes provenant de virus, de bactéries, de champignons ou de plantes.

Les biotechnologies mettent à profit ces propriétés pour transférer et faire s’exprimer des gènes d’intérêt dans un autre organisme que celui de départ. Par exemple, il est possible de transformer des bactéries ou des levures pour leur faire produire de grandes quantités de molécules utiles à l’être humain (médicaments, molécules agroalimentaires…).

II – Les effets des transferts horizontaux

Les transferts génétiques horizontaux sont très fréquents et participent à la diversification du monde vivant en faisant acquérir de nouveaux caractères aux lignées qui les reçoivent.

La fréquence élevée des échanges génétiques pose un problème de santé publique, car l’usage intensif d’antibiotiques dans l’élevage et en santé humaine favorise l’apparition de gènes de résistance qui sont ensuite largement dispersés dans l’environnement et transférés entre bactéries.

III – Les endosymbioses et l’évolution des Eucaryotes

Le constat de grandes similitudes du point de vue des structures et des fonctions entre les organites cellulaires et des bactéries vivant à l’état libre dans le milieu a conduit à formuler la théorie de l’endosymbiose. Cette théorie énonce que les mitochondries et les chloroplastes dérivent de bactéries ayant été intégrées au cytoplasme d’autres cellules il y a plus de 2 milliards d’années. Capables de se multiplier, ces organites sont transmis d’une génération à l’autre avec le cytoplasme des gamètes (hérédité cytoplasmique) ou par division des cellules.

Au cours du temps, le génome de l’organite régresse, soit une partie de ses gènes sont éliminés, soit une partie de ses gènes sont transférés dans le noyau de la cellule hôte.

L’intégration d’autres cellules confère à la cellule-hôte de nouvelle potentialités métaboliques, comme la réalisation de la respiration avec la mitochondrie ou la réalisation de la photosynthèse avec le chloroplaste. Les endosymbioses en série se sont fréquemment produites au cours de l’histoire des Eucaryotes.

L’ADN est présent chez tous les êtres vivants.

Des fragments d’ADN étranger peuvent facilement être incorporés par une cellule et l’information génétique qu’ils portent est alors intégré à celle de la cellule receveuse.

On appelle transferts horizontaux ces échanges de matériel génétique qui se produisent en dehors de la reproduction sexuée, dans laquelle, par contre, l’information génétique est transmise de parents à descendants (transferts verticaux).

Il existe plusieurs mécanismes de transferts horizontaux.

Les transferts horizontaux sont très fréquents et touchent tous les êtres vivants, dans tous les milieux de vie.

Les gènes transférés donnent de nouvelles propriétés aux organismes qui les reçoivent, ce qui a des effets sur les populations et sur le fonctionnement des écosystèmes.

Le transfert horizontal des gènes de résistance aux antibiotiques utilisés en santé humaine et animale facilite la propagation des résistances bactériennes.

Au cours de l’histoire de la vie, des cellules ont été incorporées à d’autres, se simplifiant jusqu’à devenir des composants de leur cytoplasme. C’est le cas des mitochondries et des chloroplastes.

Au fur et à mesure du temps, une grande partie du génome des cellules intégrées régresse et certains gènes sont transférés au noyau de la cellule-hôte.

Les organites issus d’endosymbiose sont transmis de génération en génération : on parle d’hérédité cytoplasmique.

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