Le jeu du hasard des mutations : une chance à ne pas perdre !
La découverte que les plantes protègent leurs gènes les plus essentiels transforme notre vision de l’évolution.
Les mutations de ADN ne se produisent pas de manière aussi aléatoire qu’on le supposait jusqu’à présent, selon de nouvelles recherches menées par l’Institut Max Planck de biologie de Tübingen, en Allemagne, et l’Université de Californie Davis, aux États-Unis. Ces résultats pourraient changer radicalement notre vision de l’évolution. Les implications de ces découvertes sont considérables, qu’il s’agisse d’une meilleure connaissance de la domestication des cultures ou de la prédiction du paysage mutationnel des cancers.
Les mutations, qui se produisent lorsque l’ADN est endommagé et non réparé, sont le principal carburant de l’évolution. Une hypothèse centrale de la théorie de l’évolution de Darwin est qu’elles surviennent de manière aléatoire et que seule la sélection naturelle détermine quels gènes changent plus rapidement et lesquels plus lentement au cours de l’évolution. Cette hypothèse centrale a maintenant été bouleversée.
“Nous avons toujours pensé que les mutations apparaissaient uniquement par hasard dans le génome”, explique Grey Monroe, professeur adjoint au département des sciences végétales de l’UC Davis et premier auteur de l’article. “Il s’avère maintenant que le schéma de mutation est non seulement très peu aléatoire, mais aussi qu’il est non aléatoire d’une manière qui profite à la plante.”
“Il s’agit d’une perspective complètement nouvelle sur la mutation et la façon dont l’évolution fonctionne”, commente Detlef Weigel, directeur scientifique de l’Institut Max Planck de biologie et auteur principal de l’étude.
Le thale cress (Arabidopsis thaliana). Crédit : Institut Max Planck de Biologie de Tübingen.
Protéger les plantes contre les mutations nuisibles
Les chercheurs ont cultivé des spécimens d’une mauvaise herbe largement répandue. Arabidopsis thaliana dans un environnement de laboratoire protégé, où toutes les plantes, y compris celles présentant des mutations nuisibles, pouvaient se reproduire. Ces mutations nuisibles seraient normalement rapidement éliminées par les pressions de sélection qui prévalent dans la nature et disparaîtraient donc avant de pouvoir être observées. En analysant les génomes de centaines de plantes cultivées en laboratoire, le scientifique a pu identifier des milliers de mutations au fur et à mesure de leur apparition.
Des analyses statistiques sophistiquées ont révélé que ces mutations n’étaient en aucun cas distribuées au hasard dans le génome, comme les chercheurs s’y attendaient. Au contraire, ils ont trouvé des portions du génome où les mutations étaient rares, et d’autres où les mutations étaient beaucoup plus fréquentes. Dans les régions où les mutations étaient rares, les gènes nécessaires à chaque cellule et donc essentiels à la survie de chaque plante étaient largement surreprésentés. “Ce sont les régions du génome les plus sensibles aux effets néfastes des nouvelles mutations”, explique Weigel, “et la réparation des dommages à l’ADN semble donc être particulièrement efficace dans ces régions.” C’est comme si l’évolution jouait avec des dés chargés – elle minimise le risque d’endommager les gènes les plus vitaux.
Reproduction du thale cress dans des conditions de laboratoire en serre. Crédit : Institut Max Planck de biologie de Tübingen.
Une nouvelle perspective sur la théorie classique de l’évolution
Les scientifiques ont découvert que les différents types de protéines autour desquelles l’ADN est enroulé dans le noyau de la cellule sont fortement corrélés avec l’apparition de mutations. “Cela nous donne une bonne idée de ce qui se passe, de sorte que nous pouvons prédire quels gènes sont plus susceptibles de muter que d’autres”, déclare Monroe.
Weigel a souligné combien les résultats étaient totalement inattendus à la lumière de la théorie classique de l’évolution : “On sait depuis longtemps qu’au cours de l’évolution, certaines régions du génome accumulent plus de mutations que d’autres. À première vue, ce que nous avons découvert semblait contredire l’idée reçue selon laquelle cela reflète simplement la sélection naturelle qui élimine la plupart des mutations avant qu’elles ne puissent être observées”, explique-t-il. Cependant, malgré la répartition inégale des mutations dans un génome typique, les régions importantes n’en sont pas entièrement dépourvues, et ces régions peuvent donc également évoluer, bien qu’à un rythme plus lent que les autres parties du génome.
Utilisations futures dans l’élevage et la recherche médicale
“La plante a évolué d’une manière à protéger ses gènes les plus importants de la mutation”, dit Monroe. “C’est passionnant parce que nous pourrions même utiliser ces découvertes pour réfléchir à la façon de protéger les gènes humains de la mutation.” À l’avenir, on pourrait les utiliser pour prédire quels gènes sont les meilleures cibles pour la reproduction parce qu’ils évoluent rapidement, ou lesquels sont les plus susceptibles de provoquer des maladies chez l’homme.
Référence : “Le biais de mutation reflète la sélection naturelle chez Arabidopsis”.thaliana” par J. Grey Monroe, Thanvi Srikant, Pablo Carbonell-Bejerano, Claude Becker, Mariele Lensink, Moises Exposito-Alonso, Marie Klein, Julia Hildebrandt, Manuela Neumann, Daniel Kliebenstein, Mao-Lun Weng, Eric Imbert, Jon Ågren, Matthew T. Rutter, Charles B. Fenster et Detlef Weigel, 12 janvier 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-021-04269-6
La plupart des travaux ont été réalisés à l’Institut Max Planck de biologie (anciennement Institut Max Planck de biologie du développement), et ils se poursuivent à présent dans cet établissement et à l’UC Davis. Des chercheurs de la Carnegie Institution for Science, de l’université de Stanford, de la Westfield State University, de l’université de Montpellier, de l’université d’Uppsala, du College of Charleston et de la South Dakota State University ont également contribué à ces travaux. Le financement a été assuré par la Société Max Planck, avec des fonds supplémentaires de la National Science Foundation et de la German Research Foundation.
