Elements Transposables

Comme je l'ai promis à Yves, nous avons eu une conférence ce matin même sur les éléments transposables du génome. Ce qui a éveillé en moi des milliers de questions.
Mais afin que tout le monde puisse nous suivre,
Pourrais-tu nous expliquer ce qu'est un élément transposable dans le génome, et ce qu'il apporte sur le plan de l'évolution ?

On appelle élément transposable un élément qui est capable de se déplacer dans le génome, de "sauter" de position en position (on les appelle d'ailleurs les "jumping genes"). Ils sont tous constitués au minimum d'éléments répétés inversés et de gènes qui permettent la transposition. Ils ont été découverts dans les années 40 chez le Maïs par Barbara McClintock, ce qui lui a value le prix Nobel en 1983.

On distingue deux classes de transposons, selon leurs modes de transposition :

Les rétrotransposons se déplacent par "copier-coller" via un intermédiare ARN qui est ensuite rétrotranscrit en ADN avant de s'insérer dans le génome (similairement aux rétrovirus, ce qui semble indiquer une origine virale de ces éléments). On retrouve dans cette catégorie les séquences Alu, les SINEs, les LINEs (Long & Short Interspersed Nuclear Elements). Les rétrotransposons composent plus de 40% du génome humain et jusqu'à 3/4 du génome du Maïs. ils sont d'ailleurs majoritaires dans les génomes de plantes (chez l'Homme, chaque gène contient en moyenne 3 rétrotransposons).

Les transposons à ADN sont beaucoup moins abondants (seulement 2 à 3% du génome humain). Ils se déplacent par "couper-coller" : l'élément est excisé puis va s'insérer à un endroit différent du génome, parfois un endroit ciblé.

Le role des éléments transposables dans l'évolution a longtemps été largement sous-évalué. Au mieux pouvait-on voir le role négatif de l'insertion d'un élément dans une séquence codante. On a logtemps appelés les transposons "junk DNA". Pourtant on retrouve ces éléments dans un grand nombre d'espèces (des bactéries à l'Homme en passant par la levure et la drosophile) et en très grande abondance dans certaines. Un exemple "visuel" du role des transposons est la couleur du Maïs : les gènes de pigmentation sont directement affectés par ces éléments transposables.
On sait aujourd'hui que certains transposons jouent un role dans le développement et ont une expression tissue-spécifique, ce qui indique qu'ils jouent un role dans la régulation de gènes (notamment via l'ARN interérence), or les différences de régulation sont très importantes en évolution. Les transposons peuvent provoquer des réarrangements chromosomiques. On a également montré récemment qu'ils pouvaient modifier l'expression de certains gènes dans les cellules neuronales de souris.
Les mécanismes précis sont encore mal compris mais on commence à entrevoir l'étendue de l'action de ces éléments transposables.

Je rajoute la référence d'un très bon article traitant de l'évolution des éléments transposables:
Christian Biémont & Cristina Viera, Genetics: junk DNA as an evolutionary force, Nature (2006)

Je profite de ce thread pour rebondir sur une théorie assez en vogue en ce moment. Elle stipule qu'a chaque exons d'un gène correspond un domaine protéique. Ainsi les transposons pourraient participer à l'évolution en provoquant de nouveaux assemblages d'exons et donc de domaines protéiques. Cela pouvant aboutir à de nouvelles protéines avec de nouvelles fonctions.

Avant de répondre sur le rôle des éléments transposables dans l'évolution modulaire des protéines, je répondrais simplement qu'un exon ne correspond pas à un domaine protéique. On peut voir des gènes à un seul exon avec plusieurs domaines, ou bien des gènes avec plus d'exons que de domaines. Pour terminer là-dessus, je signale que la limite exon/intron peut se situer à l'intérieur même d'un codon.

J'avoue que j'ai été un peu trop généraliste. Ce que tu dis est tout à fait vrai, mais n'exclut en rien le rôle possible des éléments transposables dans l'évolution.

Concernant le lien entre éléments transposables, domaines protéiques et évolution des protéines, il est nécessaire d'abord de préciser comment les éléments transposables jouent un rôle dans l'évolution des protéines, ensuite de préciser comment les domaines protéiques et l'évolution des protéines sont liés avant d'établir un lien entre les deux.

L'apparition de nouveaux exons dans un gène déjà existant se fait par un processus particulier appelé exonisation, où une séquence intronique "se transforme " en séquence exonique. Le mécanisme est l'apparition par mutation de signaux d'épissage (reconnus par le spliceosome) dans la séquence intronique, qui vont provoquer sa reconnaissance en séquence exonique.

Ce mécanisme a été très bien étudié, notamment pour la séquence Alu (rétrotransposon) parce qu'elle a la particularité de posséder des sites proches des signaux d'épissage (on parle de "pseudosplice sites" en anglais). Après mutation de ces sites, le nouvel exon est incorporé dans la protéine par épissage alternatif (des nouvelles formes protéiques contenant le nouvel exon apparaissent, sans que la version originale ne disparraisse). La sélection naturelle peut ensuite faire son travail (un cas particulier est lorsque le nouvel exon contient un codon STOP : la protéine produite est tronquée, donc non-fonctionnelle). En général, le nouvel exon est présent en très faible proportion dans la population.

Quelque chose de très intéressant : les éléments répétés représentent 90% des nouveaux exons dans le génome humain (50% pour les seules séquences Alu) alors qu'ils ne représentent "que" la moitié du génome humain. Pourquoi cette surreprésentation? Parce que ces séquences répétées contiennent ces "pseudosplicing sites" mentionnés plus haut. Les mutations vers des sites d'épissage, donc l'exonisation est "plus facile" pour ces éléments répétés.

Les domaines protéiques jouent un rôle important dans l'évolution des protéines. Quand on compare le nombre de familles de domaines chez les eucaryotes, on observe que 479 familles sont communes à tous les eucaryotes, mais surtout qu’ils représentent 80% des domaines chez les animaux et 90% des domaines chez les plantes et les champignons. Il y a très peu de vraies innovations de domaines protéiques. C’est à partir de ces observations qu’on peut dire que l’évolution des protéines se fait un peu par "variations sur les mêmes thèmes" : de nouvelles protéines apparaissent surtout par nouvelles combinaisons de domaines existants (on parle d'évolution modulaire des protéines). La recombinaison est très importante pour "mélanger" les domaines et donner naissance à des protéines multi-domaines. Bien entendu, sur les très nombreuses possibilités de réarrangement, seule une infime partie est conservée.

A l’heure actuelle, on peut comparer les protéines entre elles pour déterminer l’histoire évolutive de ces protéines et de leurs domaines. On peut par exemple détecter par phylogénie des transferts horizontaux entre bactéries concernants des domaines protéiques. Par contre, on n’a toujours pas pu décrire précisément quels mécanismes sont à l’origine de cette évolution modulaire, comme on a pu pour l'exonisation des éléments transposables. Le lien entre éléments transposables et évolution modulaire est donc purement spéculatif (en science, on appelle ça une hypothèse).

Pour aller plus loin...
article sur l'exonisation : "The birth of new exons: Mechanisms and evolutionnary consequences" par Rotem Sorek (RNA, 2007)
article qui parle de domaines protéiques et d'évolution : "Evolution of the protein repertoire" par Cyrus Chothia et collaborateurs (Science, 2003)

... Sur l'évolution modulaire.

Il semblerait que cette évolution modulaire se fait beaucoup plus par innovation de domaines que ce que l'on pourrait penser. Quand on analyse la phylogénie des espèces et qu'on y infère l'histoire des familles de domaines, on se rend compte que des nouveaux domaines apparaissent à de nombreux endroits dans l'arbre, et ce aussi bien chez les prokaryotes que chez les eukaryotes. La sacro-sainte "variation sur le même thème" serait-elle en train d'être renversée ? Affaire à suivre...