Des informations évolutives surprenantes révélées par les premières séquences chromosomiques complètes de grands singes

Séquences complètes des chromosomes X et Y de six primates différents espèces ont été cartographiées avec succès, révélant une riche diversité parmi ces espèces et fournissant des informations plus approfondies sur leurs processus évolutifs. Cette cartographie génomique approfondie met en évidence les caractéristiques uniques et partagées de ces espèces, offrant une compréhension plus claire de leurs trajectoires évolutives.

Une équipe de scientifiques financée par le Instituts nationaux de la santé (NIH) a généré les premières séquences chromosomiques complètes de primates non humains. Publié aujourd'hui (29 mai) dans la revue Nature, ces séquences révèlent une variation remarquable entre les chromosomes Y de différentes espèces, montrant une évolution rapide, en plus de révéler des régions jusqu'alors inétudiées du génome des grands singes. Étant donné que ces espèces de primates sont les plus proches parents vivants des humains, les nouvelles séquences peuvent fournir un aperçu de l’évolution humaine.

Les chercheurs se sont concentrés sur les chromosomes X et Y, qui jouent un rôle dans le développement sexuel et la fertilité, parmi de nombreuses autres fonctions biologiques. Ils ont séquencé les chromosomes de cinq espèces de grands singes, le chimpanzé, le bonobo, le gorille et les orangs-outans de Bornéo et de Sumatra, ainsi que d'une autre espèce de primates plus éloignée des humains, le gibbon siamang.

« Ces séquences chromosomiques ajoutent une quantité importante de nouvelles informations », a déclaré Brandon Pickett, Ph.D., chercheur postdoctoral à l'Institut national de recherche sur le génome humain (NHGRI), qui fait partie du NIH, et auteur de l'étude. « Seule la séquence du génome du chimpanzé était assez complète avant cela, mais même celle-ci comportait encore de grandes lacunes, en particulier dans les régions à répétition. ADN.»

Les séquences complètes des chromosomes X et Y de six espèces de primates révèlent la diversité des espèces et un aperçu de l'évolution. Crédit : Ernesto Del Aguila III, Institut national de recherche sur le génome humain

Progrès dans l’analyse de l’ADN

En analysant ces nouvelles séquences, les chercheurs ont estimé que 62 à 66 % des chromosomes X et 75 à 82 % des chromosomes Y sont composés de séquences d'ADN répétitives. Ces séquences sont beaucoup plus difficiles à caractériser pour les scientifiques, et l’étude de l’ADN répétitif n’est devenue possible que ces dernières années grâce aux nouvelles technologies de séquençage de l’ADN et aux méthodes d’analyse.

Les chercheurs ont comparé les séquences des chromosomes des singes aux chromosomes humains X et Y pour comprendre leur histoire évolutive. Comme les chromosomes X et Y humains, les chromosomes Y des grands singes possèdent beaucoup moins de gènes que les chromosomes X. Les chercheurs ont également utilisé une méthode informatique appelée alignement, qui indique les régions du chromosome qui sont restées relativement les mêmes au cours de l'évolution, révélant ainsi les effets de différentes pressions évolutives sur différentes parties du génome.

Les chercheurs ont découvert que plus de 90 % des séquences du chromosome X du singe étaient alignées sur le chromosome X humain, ce qui montre que les chromosomes X sont restés relativement inchangés au cours de millions d’années d’évolution. Cependant, seulement 14 à 27 % des séquences du chromosome Y du singe étaient alignées sur le chromosome Y humain.

Variations surprenantes des chromosomes Y

« L'ampleur des différences entre les chromosomes Y de ces espèces était très surprenante », a déclaré Kateryna Makova, Ph.D., professeur à la Pennsylvania State University et responsable de l'étude. « Certaines de ces espèces ont divergé de la lignée humaine il y a seulement sept millions d’années, ce qui ne représente pas beaucoup de temps en termes d’évolution. Cela montre que les chromosomes Y évoluent très rapidement.

Une différence notable entre les chromosomes Y des primates est leur longueur. Par exemple, le chromosome Y de l’orang-outan de Sumatra est deux fois plus long que le chromosome Y du gibbon. La variation du nombre et des types de répétitions d’ADN explique certaines des différences dans la longueur des chromosomes.

Un type de répétition est appelé palindrome, une séquence d'ADN qui contient des répétitions d'ADN inversées. Les palindromes d'ADN sont similaires aux palindromes linguistiques tels que « voiture de course » ou « kayak », dans lesquels les lettres de la première moitié du mot se répètent à l'envers dans la seconde moitié du mot, de sorte que la séquence des lettres est la même vers l'avant et vers l'avant. en arrière. Cependant, les palindromes d’ADN peuvent contenir plus de cent mille lettres.

Variations génétiques uniques et recherches futures

Les chercheurs ont découvert que les palindromes d'ADN sur les chromosomes X et Y des primates contiennent presque toujours des gènes, qui se répètent en de nombreuses copies le long du chromosome. La plupart des gènes du génome des primates n’ont que deux copies, une sur chaque chromosome d’une paire. Les chercheurs soupçonnent que le fait d’avoir de nombreuses copies dans ces palindromes contribue à protéger les gènes, notamment sur le chromosome Y. Puisqu'il n'y a généralement qu'un seul chromosome Y par cellule, si un gène sur le chromosome Y est endommagé, il n'y a pas d'autre chromosome avec une copie du gène qui puisse être utilisé comme modèle pour réparer les dommages.

« Avoir ces gènes dans les palindromes, c'est comme conserver une copie de sauvegarde », a déclaré Adam Phillippy, Ph.D., chercheur principal au NHGRI et auteur principal de l'étude. « Nous savons que beaucoup de ces gènes remplissent des fonctions importantes et nous nous attendions donc à voir les mêmes gènes dans les palindromes de différentes espèces, mais cela ne semble pas être le cas. »

Les chercheurs ont étudié plusieurs groupes de gènes contenus dans les palindromes, dont beaucoup jouent un rôle dans la production de spermatozoïdes et sont donc importants pour la fertilité. Bien que des palindromes aient été trouvés sur tous les chromosomes Y des primates étudiés, les séquences palindromes spécifiques et les gènes contenus dans ces palindromes étaient souvent distincts pour chaque espèce.

« Il se peut qu'il y ait encore plus de variations que nous ne constatons pas encore », a déclaré le Dr Phillippy. « Sur le chromosome Y humain, le nombre de certains gènes peut varier d’un individu à l’autre. Pour chacune de ces autres espèces de primates, nous n’examinons qu’un seul individu. Nous ne savons pas encore à quoi ressemble le reste de la population et quelles autres variations nous pourrions trouver.

« Cependant, certains travaux antérieurs de notre groupe suggèrent une variation importante du nombre de copies des gènes du chromosome Y chez les humains et chez d'autres singes », a ajouté le Dr Makova.

Ces séquences chromosomiques de grands singes résolvent également les séquences d’un autre type de répétition appelé satellite d’ADN, qui est une grande étendue de séquence répétitive. Parmi les chromosomes des grands singes, les chercheurs ont identifié plusieurs séquences satellites spécifiques à une espèce jusqu’alors inconnues.

Ces séquences fournissent des informations importantes sur le génome des grands singes, car des satellites d'ADN sont présents dans tout le génome. Plus précisément, ils sont concentrés près des extrémités des chromosomes, appelés télomères, et dans une autre région appelée centromère, qui aide les chromosomes à s’organiser lors de la division cellulaire. Les séquences de centromères de ces espèces étaient complètement inconnues avant cette étude et un autre effort de recherche récent mené par plusieurs des mêmes chercheurs.

« Le fait que ces séquences satellites provenant de grands singes ouvrent de nouveaux territoires à explorer », a déclaré le Dr Makova, « et, à l'instar de nos autres découvertes sur le chromosome Y, nous pouvons voir que le centromère du chromosome Y est très dynamique. »

Implications pour la conservation et la compréhension de l'évolution

Ces séquences chromosomiques peuvent aider les chercheurs à étudier l’évolution des grands singes, y compris les humains. Les chercheurs travaillent actuellement à décrire le génome entier de ces espèces de grands singes, mais même seules, les séquences des chromosomes X et Y offrent de nombreuses informations, notamment sur les forces évolutives sur le chromosome Y qui contribuent à son évolution rapide.

L’un des facteurs est qu’il n’y a généralement qu’un seul chromosome Y par cellule, ce qui entraîne une accumulation de modifications dans la séquence d’ADN. Une autre force évolutive, a déclaré le Dr Makova, est un phénomène connu sous le nom de biais de mutation masculine. Par rapport à la production d’ovules, la production de spermatozoïdes implique davantage de réplication d’ADN. À chaque réplication, il est possible que la séquence d'ADN change. Cela affecte tous les chromosomes, mais particulièrement le chromosome Y.

Un autre facteur potentiel est la petite taille de la population, qui peut influencer les taux d’évolution. Non seulement ces espèces de singes ont des populations limitées dans la nature, mais les chromosomes Y ne sont présents que dans la moitié de la population, limitant encore davantage la taille effective de la population de cette partie particulière du génome.

« Il est important de se rappeler que ces espèces de grands singes sont toutes en voie de disparition », a déclaré le Dr Makova. « Non seulement nous pouvons en apprendre davantage sur l'évolution humaine à partir de ces séquences, mais nous pouvons également appliquer ce que nous savons de leurs génomes et du génome humain pour mieux comprendre la biologie et la reproduction de ces espèces en voie de disparition. »