Leçons de l'étang : Indices des algues vertes sur l'origine des mâles et des femelles

le 15 avril 2010

Leçons de l'étang : Indices des algues vertes sur l'origine des mâles et des femelles

le 15 avril 2010

La Jolla, Californie — Une algue verte multicellulaire, Volvox carteri, ont peut-être enfin percé les secrets de l'évolution des différents sexes. Une équipe dirigée par des chercheurs du Salk Institute for Biological Studies a montré que la région génétique qui détermine le sexe chez Volvox a radicalement changé par rapport à celle de l'algue unicellulaire étroitement apparentée Chlamydomonas reinhardtii.

Leurs conclusions, qui seront publiées dans le numéro du 16 avril de la revue Science, fournissent le premier support empirique pour un modèle de l'évolution de deux sexes différents dans lequel l'expansion d'une région déterminant le sexe crée une diversité génétique suivie par des gènes assumant de nouvelles fonctions liées à la production de cellules reproductrices mâles et femelles appelées gamètes.

« Jusqu'à présent, les chromosomes déterminant le sexe étaient généralement considérés comme des zones de dégradation, perdant progressivement des gènes qui ne sont pas impliqués dans la reproduction sexuée », explique James Umen, Ph. D., professeur adjoint au Laboratoire de biologie moléculaire et cellulaire végétale de l'Institut Salk, qui a dirigé l'équipe chargée de l'étude. « Notre étude montre le contraire : ces régions peuvent s'étendre et générer du nouveau matériel génétique beaucoup plus rapidement que le reste du génome. »

La plupart des organismes multicellulaires, tels que les plantes et les animaux, possèdent deux sexes distincts : les femelles produisent de gros ovules immobiles et les mâles, de petits spermatozoïdes mobiles. Si les organismes unicellulaires peuvent également se reproduire sexuée, les deux sexes des espèces unicellulaires sont généralement indiscernables et sont considérés comme représentatifs d'un stade ancestral ou d'une évolution précoce. Cependant, les grandes distances qui séparent les plantes ou les animaux de leurs plus proches parents unicellulaires empêchent de comprendre la transition évolutive vers le dimorphisme mâle-femelle.

« Chez les organismes unicellulaires comme Chlamydomonas, les gamètes se ressemblent. En revanche, les organismes multicellulaires, y compris Volvox« Ils produisent des ovules et des spermatozoïdes ; ils sont distinctement mâles et femelles. Pourtant, personne n'a vraiment idée de la manière dont se déroule l'évolution des mâles et des femelles, ni des changements génétiques nécessaires pour y parvenir », explique Umen.

Bien que les génomes de Chlamydomonas et Volvox Bien que les chromosomes soient similaires à bien des égards, il existe une exception flagrante qui a fourni aux chercheurs de Salk une entrée dans l'origine des sexes masculin et féminin : le soi-disant locus d'accouplement qui fonctionne de la même manière que les chromosomes X et Y humains pour déterminer le sexe.

Lorsque Umen et ses collègues ont examiné les gènes du locus de reproduction dans Chlamydomonas et Volvox Ils ont découvert qu'ils partageaient certains gènes, comme on pourrait s'y attendre chez des espèces étroitement apparentées. Cependant, Volvox possédait désormais également une surprenante variété de nouveaux gènes qui avaient été ajoutés à son locus de reproduction élargi, et l'expression de plusieurs de ces gènes était passée sous le contrôle des programmes de différenciation mâle ou femelle.

« Nous avons constaté que le Volvox le locus d'accouplement est environ cinq fois plus grand que celui de Chlamydomonas« », explique Patrick Ferris, Ph. D., chercheur postdoctoral et co-auteur principal. « Nous voulions comprendre les fondements évolutifs de ce phénomène. Comment est-ce arrivé ? Et d'où venaient ces nouveaux gènes ? »

Pour retracer l’origine des gènes ajoutés, l’équipe a cherché à voir si elle pouvait également les trouver dans Chlamydomonas. « Nous avons découvert que même si certains gènes du locus de reproduction dans Volvox sont complètement nouveaux, beaucoup d'entre eux ont des homologues dans Chlamydomonas qui sont proches du lieu d'accouplement », explique le co-premier auteur Bradley Olson, Ph.D. « Donc Volvox a pris ces gènes qui n’avaient initialement rien à voir avec le sexe, les a incorporés dans son locus d’accouplement et a commencé à en utiliser certains dans son cycle de reproduction sexuelle.

L’équipe étudie actuellement ces nouveaux gènes du locus d’accouplement pour comprendre leurs rôles individuels dans la détermination du sexe et le développement sexuel.

Ils ont déjà identifié un Volvox gène du locus d'accouplement nommé MAT3 qui semble avoir évolué vers un nouveau rôle dans la différenciation sexuelle. MAT3 est lié à un gène humain appelé suppresseur de tumeur du rétinoblastome, qui contrôle la division cellulaire et qui est fréquemment muté dans les cellules cancéreuses. Dans Volvox, MAT3 joue probablement un rôle dans le contrôle de la division cellulaire, comme chez les animaux et les plantes, mais présente également des différences intrigantes, spécifiques au sexe, dans sa séquence et son profil d'expression, corrélées aux différences de développement reproducteur mâle/femelle. Le laboratoire d'Umen poursuit cette découverte afin de déterminer le rôle nouvellement développé de MAT3 in Volvox spécification de genre.

« Cette étude montre que Volvox « Les espèces apparentées et leurs parents constituent un modèle puissant pour étudier l'évolution du sexe », explique Umen. « Cela nous offre un système permettant de retracer l'histoire évolutive et de poser des questions sur l'origine du genre et d'autres traits difficiles à appréhender chez des groupes tels que les plantes et les animaux. »

L'équipe travaille également avec des collaborateurs pour examiner le locus d'accouplement d'un intermédiaire évolutif entre Chlamydomonas et Volvox appelé Gonium, qui comporte entre quatre et 16 cellules.Gonium nous permet d'observer les étapes évolutives entre Chlamydomonas et Volvox « pour mieux comprendre comment le processus évolutif s’est produit », explique Ferris.

Outre Ferris, Olson et Umen, les contributeurs à ce travail étaient Peter L. De Hoff, Ph.D., et Sa Geng, Ph.D. au Salk Institute ; Stephen Douglass, David Casero et Matteo Pellegrini à l'UCLA ; Simon Prochnik au Joint Genome Institute (JGI) du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), Rhitu Rai au Salk Institute et à l'Indian Agricultural Research Institute, New Delhi ; Jane Grimwood et Jeremy Schmutz au Hudson Alpha Institute for Biotechnology, Alabama ; Ichiro Nishii à la Nara Women's University, Nara, Japon ; et Takashi Hamaji et Hisayoshi Nozaki à l'Université de Tokyo, Japon.

-Claire Attwooll

À propos du Salk Institute for Biological Studies :
Le Salk Institute for Biological Studies est l'un des principaux instituts de recherche fondamentale au monde. Des professeurs de renommée internationale y explorent des questions fondamentales des sciences de la vie dans un environnement unique, collaboratif et créatif. Axés à la fois sur la découverte et sur l'encadrement des futures générations de chercheurs, les scientifiques du Salk contribuent de manière révolutionnaire à notre compréhension du cancer, du vieillissement, de la maladie d'Alzheimer, du diabète et des maladies infectieuses en étudiant les neurosciences, la génétique, la biologie cellulaire et végétale, et les disciplines connexes.

Les réalisations de ses professeurs ont été récompensées par de nombreuses distinctions, dont des prix Nobel et des adhésions à l'Académie nationale des sciences. Fondé en 1960 par le Dr Jonas Salk, pionnier du vaccin contre la polio, l'Institut est une organisation indépendante à but non lucratif et un monument architectural.