Transfert horizontal de gènes

Arbre phylogénétique du vivant à trois domaines montrant les possibles transferts horizontaux

Le transfert horizontal de gènes est un processus dans lequel un organisme intègre du matériel génétique provenant d'un autre organisme sans en être le descendant. Par opposition, le transfert vertical se produit lorsque l'organisme reçoit du matériel génétique à partir de son ancêtre. La plupart des recherches en matière de génétique ont mis l'accent sur le transfert vertical, mais les recherches récentes montrent que le transfert horizontal de gènes est un phénomène significatif. Une grande partie du génie génétique consiste à effectuer un transfert horizontal artificiel de gènes.

Historique

Le transfert horizontal de gènes a été décrit pour la première fois en 1959 dans une publication japonaise démontrant l'existence du transfert de la résistance aux antibiotiques entre différentes espèces de bactéries^[1],[2]. Cependant cette recherche a été ignorée en Occident pendant une dizaine d'années. Michael Syvanen a été parmi les premiers biologistes occidentaux à étudier la fréquence des transferts horizontaux de gènes. Syvanen a publié une série d'articles sur le transfert horizontal de gènes à partir de 1984^[3], prédisant que le transfert horizontal de gènes existe, qu'il a une importance biologique réelle, et que c'est un processus qui a façonné l'histoire de l'évolution dès le début de la vie sur Terre.

Comme Jain, Rivera et Lake (1999) l'ont dit : « De plus en plus, les études sur les gènes et les génomes, indiquent que de nombreux transfert horizontaux ont eu lieu entre les procaryotes. » ^[4] (voir aussi Lake et Rivera, 2007^[5]). Le phénomène semble avoir eu une certaine importance pour les eucaryotes unicellulaires également. Comme Bapteste et al. (2005) l'observent, « de nouveaux éléments donnent à penser que le transfert de gènes peut également être un important mécanisme d'évolution chez les protistes »^[6].

Il existe des preuves que les plantes supérieures et les animaux ont également acquis des gènes par transferts horizontaux. Toutefois, Richardson et Palmer (2007) indiquent : « Le transfert horizontal de gènes a joué un rôle majeur dans l'évolution bactérienne et est assez courante dans certains eucaryotes unicellulaires. Toutefois, la prévalence et son importance dans l'évolution des eucaryotes pluricellulaires demeurent obscures. »^[7]

En raison de l'augmentation d'éléments de preuve suggérant l'importance de ces phénomènes dans l'évolution, des biologistes moléculaires, tels que Peter Gogarten ont décrit le transfert horizontal de gènes comme « Un nouveau paradigme pour la biologie » ^[8] .

Archées

Le transfert horizontal de gènes semble également répandu parmi les Archaea^[9].

Bactérie

Le transfert horizontal de gènes est commun entre bactéries. Ce processus est considéré comme un des facteurs principaux de l'augmentation de la résistance des bactéries aux antibiotiques. Une fois la résistance acquise par une cellule, elle peut être transmise entre des bactéries d'espèces différentes et parfois même de genres différents. Il y a trois systèmes principaux d'échange de matériels génétiques chez les bactéries :

• la conjugaison bactérienne
• la transformation des bactéries
• la transduction.

Eucaryotes

L'analyse des séquences des génomes disponibles montre qu'un transfert de gènes a lieu entre les génomes chloroplastiques et mitochondriaux et le génome nucléaire. Comme indiqué par la théorie endosymbiotique, les mitochondries et les chloroplastes ont probablement comme origine une bactérie endosymbiote d'un ancêtre de la cellule eucaryote^[10].

Le transfert horizontal de gènes entre les bactéries et certains champignons, en particulier la levure Saccharomyces cerevisiae, a été également décrit^[11].

Il existe également des preuves de transfert horizontal de gènes mitochondriaux entre un parasite de la famille des Rafflesiaceae et son hôte^[12],[13], ou encore à partir de chloroplastes d'une plante encore non identifiée vers les mitochondries du haricot^[14].

Un cas de transfert entre une algue (Vaucheria) et un mollusque qui la consomme (Elysia) a été décrit en 2008^[15].

En 2009, un étude (sur des plantes) suggère que le greffage est une voie pour le transfert horizontal de gènes^[16].

En 2010, des chercheurs de l'université d'Arizona ont mis en évidence dans le génome du puceron l'existence de gènes transférés à partir de fungi^[17], l'expression de ces gènes permettant la production de caroténoïde chez cette espèce animale.

Virus

Le virus Mimivirus peut lui-même être infecté par un virus appelé Spoutnik^[18].

Rôle dans l'évolution et son étude

Le transfert horizontal de gènes est un facteur d'erreur important dans la création d'arbres phylogénétiques^[19].

Le biologiste Johann Peter Gogarten a constaté que « la métaphore originelle d'un arbre, ne correspond plus aux données provenant des récentes analyses de génomes », et que « les biologistes devraient utiliser l'image d'une mosaïque pour décrire les différentes histoires combinées dans un génome unique, et l'image d'un filet pour signifier la multitude d'échanges et d'effets coopératifs qu'a le transfert horizontal sur les microbes »^[20]. On parle alors de réseaux phylogénétiques.

Application pratique des transferts de gènes horizontaux

Deux techniques exploitent les transferts horizontaux de gènes:

• la transgenèse, qui permet de produire des êtres vivants possédant des gènes provenant d'une autre espèce. Certains OGM sont issus de cette techniques.
• la thérapie génique, qui permet de réparer, en général localement un génome défaillant (maladie génétique).

L'existence de ces transferts de gènes horizontaux naturels relativises doublement les dangers supposés des OGM et des thérapies géniques. Premièrement les données scientifiques montrent que ces transferts sont extrêmement rares (du moins ceux qui se maintiennent et qui sont fonctionnel) et ne provoque pas de déséquilibre écologique. Les risques de transferts horizontaux lié au OGM sont considérés comme négligeable en termes de danger environnemental et sanitaire^[21], ^[22]. Deuxièmement les transgénèses n'ont pas d'effet plus perturbateur sur l'ADN que des modifications naturelles (mutation et croisement)^[23],[24].

Notes et références

(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article en anglais intitulé « Horizontal gene transfer » (voir la liste des auteurs)

1. ↑ K. Ochiai, T. Yamanaka, K. Kimura et O. Sawada, « Inheritance of drug resistance (and its tranfer) between Shigella strains and Between Shigella and E.coli strains », Hihon Iji Shimpor, vol. 1861, 1959.
2. ↑ T. Akiba, K. Koyama, Y. Ishiki, S. Kimura, T. Fukushima, « On the mechanism of the development of multiple-drug-resistant clones of Shigella », Jpn. J. Microbiol., vol. 4, p. 219-227, 1960.
3. ↑ Michael Syvanen, « Cross-species Gene Transfer; Implications for a New Theory of Evolution », J. Theor. Biol., vol. 112, p. 333-343, 1985.
4. ↑ Lake, James A. and Maria C. Rivera, « Horizontal gene transfer among genomes: The complexity hypothesis », dans PNAS (Proceedings of the National Academy of Science), vol. 96:7, 1999, p. 3801-3806 [lien DOI (page consultée le 2007-03-18)] 
5. ↑ Lake, James A. and Maria C. Rivera, « The Ring of Life Provides Evidence for a Genome Fusion Origin of Eukaryotes », dans Nature, vol. 431 [1], 2004 
6. ↑ Bapteste et al., « Do Orthologous Gene Phylogenies Really Support Tree-thinking? », dans BMC Evolutionary Biology, vol. 5:33, 2005 [texte intégral (page consultée le 2007-03-18)] 
7. ↑ Richardson, Aaron O. and Jeffrey D. Palmer, « Horizontal Gene Transfer in Plants », dans Journal of Experimental Botany, vol. 58, janvier 2007, p. 1-9 [texte intégral [PDF] (page consultée le 2007-03-18)] 
8. ↑ Gogarten, Peter, « Horizontal Gene Transfer: A New Paradigm for Biology », dans Esalen Center for Theory and Research Conference, 2000 [texte intégral (page consultée le 2007-03-18)] 
9. ↑ (en) Garcia-Vallvé S, Romeu A, Palau J, « Horizontal gene transfer in bacterial and archaeal complete genomes », dans Genome research, vol. 10, n^o 11, novembre 2000, p. 1719-25 [texte intégral, lien PMID] 
10. ↑ Jeffrey L. Blanchard et Michael Lynch, « Organellar genes: why do they end up in the nucleus? », Trends in Genetics, vol. 16, p. 315-320, 2000. (Discusses theories on how mitochondria and chloroplast genes are transferred into the nucleus, and also what steps a gene needs to go through in order to complete this process.)
11. ↑ Hall C, Brachat S, Dietrich FS. « Contribution of Horizontal Gene Transfer to the Evolution of Saccharomyces cerevisiae. » Eukaryot Cell 2005 Jun 4(6):1102-15. [2]
12. ↑ Charles C. Davis et Kenneth J. Wurdack, « Host-to-Parasite Gene Transfer in Flowering Plants: Phylogenetic Evidence from Malpighiales », dans Science, vol. 305, n^o 5684, 30 July 2004, p. 676–678 [texte intégral, lien DOI] 
13. ↑ Daniel L Nickrent, Albert Blarer, Yin-Long Qiu, Romina Vidal-Russell et Frank E Anderson, « Phylogenetic inference in Rafflesiales: the influence of rate heterogeneity and horizontal gene transfer », dans BMC Evolutionary Biology, vol. 4, n^o 40, 2004, p. 40 [texte intégral, lien DOI] 
14. ↑ Magdalena Woloszynska, Tomasz Bocer, Pawel Mackiewicz et Hanna Janska, « A fragment of chloroplast DNA was transferred horizontally, probably from non-eudicots, to mitochondrial genome of Phaseolus », dans Plant Molecular Biology, vol. 56, n^o 5, novembre 2004, p. 811-820 [lien DOI] 
15. ↑ Mary E. Rumpho, Jared M. Worful, Jungho Lee, Krishna Kannan, Mary S. Tyler, Debashish Bhattacharya, Ahmed Moustapha et James R. Manhart, « Horizontal gene transfer of the algal nuclear gene psbO to the photosynthetic sea slug Elysia chlorotica », dans PNAS, vol. 105, n^o 46, novembre 2008, p. 17867-17871 [lien DOI] 
16. ↑ Sandra Stegemann et Ralph Bock, « Exchange of genetic material between cells in plant tissue grafts », Science, vol. 324, p. 649-651, mai 2009.
17. ↑ Nancy A. Moran and Tyler Jarvik, « Lateral Transfer of Genes from Fungi Underlies Carotenoid Production in Aphids », Science Vol. 328 no. 5978, p. 624-627, 2010-04-30. Consulté le 2010-04-30
18. ↑ « 'Virophage' suggests viruses are alive », Nature, vol. 454, p. 677, 2008.
19. ↑ Graham Lawton, « Why Darwin was wrong about the tree of life », New Scientist, 21 janvier 2009.
20. ↑ (en) Olga Zhaxybayeva et J. Peter Gogarten, « Cladogenesis, coalescence and the evolution of the three domains of life », dans TRENDS in Genetics, vol. 20, n^o 4, avril 2004, p. 182-187 [texte intégral, lien DOI (pages consultées le 20 juillet 2009)] 
21. ↑ http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18801324
22. ↑ http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16489267
23. ↑ http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20472106
24. ↑ http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/10415441