L’étude du génome du thale cress, une petite herbe à fleurs, a permis de mieux comprendre les mutations de l’ADN. Crédit : Pádraic Flood
Les découvertes pourraient conduire à des avancées en matière de sélection végétale et de génétique humaine.
Une simple mauvaise herbe au bord de la route pourrait détenir la clé pour comprendre et prévoir les mutations de l’ADN. ADN mutation, selon de nouvelles recherches menées par l’Université de Californie, Davis, et l’Institut Max Planck de biologie du développement en Allemagne.
Les résultats, publiés dans le journal Naturechangent radicalement notre compréhension de l’évolution et pourraient un jour aider les chercheurs à améliorer les cultures ou même aider les humains à combattre le cancer.
Les mutations se produisent lorsque l’ADN est endommagé et n’est pas réparé, créant ainsi une nouvelle variation. Les scientifiques ont voulu savoir si la mutation était purement aléatoire ou si elle était plus profonde. Ce qu’ils ont trouvé était inattendu.
“Nous avons toujours pensé que la mutation était fondamentalement aléatoire dans le génome”, a déclaré Grey Monroe, professeur adjoint au département des sciences végétales de l’UC Davis et auteur principal de l’article. “Il s’avère que la mutation est très peu aléatoire et qu’elle l’est d’une manière qui profite à la plante. C’est une façon totalement nouvelle de penser à la mutation”.
Les chercheurs ont passé trois ans à séquencer l’ADN de centaines de plantes. Arabidopsis thalianaCette petite herbe à fleurs est considérée comme le “rat de laboratoire parmi les plantes” en raison de son génome relativement petit, qui comprend environ 120 millions de paires de bases. Les humains, en comparaison, ont environ 3 milliards de paires de bases.
“C’est un organisme modèle pour la génétique”, dit Monroe.
Les plantes cultivées en laboratoire produisent de nombreuses variations
Les travaux ont commencé à l’Institut Max Planck où les chercheurs ont cultivé des spécimens dans un environnement de laboratoire protégé, ce qui a permis à des plantes présentant des défauts qui n’auraient peut-être pas survécu dans la nature de survivre dans un espace contrôlé.
Le séquençage de ces centaines de Arabidopsis thaliana a révélé plus d’un million de mutations. Parmi ces mutations, un modèle non aléatoire a été révélé, contrairement à ce qui était attendu.
“À première vue, ce que nous avons découvert semblait contredire la théorie établie selon laquelle les mutations initiales sont entièrement aléatoires et que seule la sélection naturelle détermine les mutations observées dans les organismes”, a déclaré Detlef Weigel, directeur scientifique de l’Institut Max Planck et auteur principal de l’étude.
Au lieu du hasard, ils ont trouvé des zones du génome avec de faibles taux de mutation. Dans ces zones, ils ont été surpris de découvrir une surreprésentation de gènes essentiels, tels que ceux impliqués dans la croissance cellulaire et l’expression génétique.
“Ce sont les régions vraiment importantes du génome”, a déclaré Monroe. “Les zones qui sont les plus importantes d’un point de vue biologique sont celles qui sont protégées des mutations”.
Ces zones sont également sensibles aux effets néfastes de nouvelles mutations. “La réparation des dommages à l’ADN semble donc être particulièrement efficace dans ces régions”, a ajouté Weigel.
Une plante a évolué pour se protéger
Les scientifiques ont découvert que la façon dont l’ADN était enroulé autour de différents types de protéines était un bon prédicteur de la mutation ou non d’un gène. “Cela signifie que nous pouvons prédire quels gènes sont plus susceptibles de muter que d’autres et cela nous donne une bonne idée de ce qui se passe”, a déclaré Weigel.
Les résultats ajoutent une tournure surprenante à la théorie de l’évolution par sélection naturelle de Charles Darwin, car ils révèlent que la plante a évolué pour protéger ses gènes de la mutation afin d’assurer sa survie.
“La plante a évolué de manière à protéger ses endroits les plus importants de la mutation”, a déclaré Weigel. “C’est passionnant parce que nous pourrions même utiliser ces découvertes pour réfléchir à la façon de protéger les gènes humains de la mutation.”
Utilisations futures
Savoir pourquoi certaines régions du génome mutent plus que d’autres pourrait aider les sélectionneurs qui s’appuient sur la variation génétique pour développer de meilleures cultures. Les scientifiques pourraient également utiliser cette information pour mieux prédire ou développer de nouveaux traitements pour des maladies comme le cancer qui sont causées par des mutations.
“Nos découvertes fournissent un compte rendu plus complet des forces qui déterminent les modèles de variation naturelle ; elles devraient inspirer de nouvelles voies de recherche théorique et pratique sur le rôle des mutations dans l’évolution”, conclut l’article.
Pour en savoir plus sur cette découverte, voir DNA Mutations Do Not Occur Randomly.
Référence : “Mutation bias reflects natural selection in Arabidopsis thaliana” par J. Grey Monroe, Thanvi Srikant, Pablo Carbonell-Bejerano, Claude Becker, Mariele Lensink, MoisesExposito-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
Les co-auteurs de l’UC Davis sont Daniel Kliebenstein, Mariele Lensink, Marie Klein, du département des sciences végétales. Des chercheurs de la Carnegie Institution for Science, de l’université de Stanford, de l’université d’État de Westfield, de l’université de Montpellier, de l’université d’Uppsala, du College of Charleston et de l’université d’État du Dakota du Sud ont contribué à cette recherche.
Le financement provient de la Société Max Planck, de la National Science Foundation et de la German Research Foundation.
