Duplication (génétique) - Définition

Duplication d´un gène

Mécanismes de duplication génique

Un gène particulier peut être dupliqué au cours de l'évolution. Il existe trois principaux mécanismes permettant la duplication d'un gène ou de quelques gènes :

• Par rétrotransposition : lors de la rétrotransposition d'un élément transposable, il peut y avoir transcription d'une partie de la région chromosomique à proximité de l'élément transposable, comprenant éventuellement un ou plusieurs gènes. Lorsque l'ARN est rétrotranscrit au sein du génome, le ou les gènes transcrits par accident sont alors copiés dans une autre région du génome.
• Par enjambement inégal : lors de la méiose, les chromosomes homologues s'apparient sur les régions semblables, et peuvent éventuellement s'échanger. Cependant, l'enjambement peut être inégal, et une partie de l'ADN de l'un des deux chromosomes homologues est transféré sur l'autre. On a ainsi une perte de gènes sur un chromosome et une duplication de gènes sur l'autre si cette portion de chromosome porte un ou plusieurs gènes. On obtient alors une disposition des gènes dupliqués les uns à la suite des autres, en tandem.
• Par échange ectopique : lors d'une cassure double brin, il peut y avoir recombinaison avec un site non homologue, puis élongation de la molécule d'ADN suivant la matrice d'ADN recombinante, recopiant ainsi une portion du génome après la cassure. La réparation de la cassure a ensuite pour conséquence l'intégration de cette région dupliquée au génome.
• Par un mécanisme de transfert horizontal de gènes : L'ADN exogène provient d'un organisme transducteur (virus, parasite, cellule morte, endosymbionte (mitochondrie, chloroplaste)). Cependant, ce mécanisme d´échange de matériel génétique génère rarement une duplication génique.

Duplication d´une région chromosomique

Schéma de la duplication d'un gène

La duplication est parfois décrite comme une trisomie partielle. Il existe 2 types de duplication :

• Duplication directe (ou en tandem) : le fragment se duplique dans le même sens.
• Duplication inverse (ou en miroir) : le fragment se duplique en sens inverse.

On peut également distinguer les duplications:

• Intrachromosomique : le fragment est dupliqué sur le même chromosome suite à un mécanisme de réparation non homologue de l´ADN.
• Interchromosomique : le fragment est dupliqué sur un autre chromosome suite à une translocation chromosomique.

De nombreux syndromes résultent de la duplication d´un segment de chromosome, tel que le syndrome de Beckwith-Wiedemann ou la maladie de Charcot-Marie-Tooth type 1. Bien que souvent délétère pour un organisme, l´analyse des génomes de nombreuses espèces, et notamment le génome humain, a révélé la présence de nombreuses régions dupliquées.

Exemples de segments de chromosomes dupliqués dans le génome humain

Le séquençage et l´analyse du génome humain ont révélé que de grosses portions de chromosomes étaient similaires. 400 segments de chromosomes pendant l´évolution des primates ont subi de nombreux évènements de duplication intrachromosomiques (entre chromosomes identiques) et interchromosomiques (entre chromosomes différents) dont certaines, qui représentent 5% du génome, sont spécifiques du génome humain. Ces segments dupliqués de chromosome sont localisés préférentiellement près des télomères et des centromères. Par ailleurs, ces régions dupliquées sont sensibles aux réarrangements chromosomiques et sont le site de cassures de translocations, délétions ou inversions. Cependant, bien que délétères, les fragments de chromosomes dupliqués sont proportionnellement transcriptionnellement plus actifs que les régions uniques des génomes de primate. De plus, ces duplications répétées ont créé de nouvelles familles géniques uniques chez les hominoïdes.

Le Chromosome 15

8,8% du chromosome 15 correspond à des segments de chromosomes dupliqués dont 50% sont des duplications intrachromosomiques. Par exemple, dans la région 15q, une séquence "cœur" de 2920 paires de base a été identifiée. Elle est répétée 37 fois sur le chromosome 15, 2 fois sur le chromosome Y et une fois sur le chromosome 2 et 10. L´analyse des différentes séquences de cette portion de chromosome "cœur" a permis de récapituler l´histoire de cette séquence puisque le génome du chien et de la souris ne contiennent qu´une seule copie de cette séquence "cœur" sur le chromosome correspondant au chromosome 2 humain. Ainsi, cette séquence a été copiée par rétrotransposition sur le chromosome 10, puis un fragment plus important de 15 Kilobases a été copié sur le chromosome 15. Ce segment d´ADN de 15 Kb s´est ensuite dupliqué plusieurs fois sur le chromosome 15. Les deux copies de la séquence "cœur" initiale sur le chromosome Y est le résultat de la copie d´une séquence de 40 kb originaire du chromosome 15. Comme mentionné précédemment, les régions dupliquées sont des portions de chromosome fragiles et sensibles aux réarrangements chromosomiques. Les délétions chromosomiques dans la région dupliquée 15q11-q13 sont la cause des syndromes Prader-Willi et Angelman.

Syndrome Beckwith-Wiedemann

Le syndrome de Beckwith-Wiedemann est caractérisé par une grande taille et une organomégalie, et résulte dans un grand nombre de cas d'une duplication de la région terminale du chromosome 11 paternel. Cette région chromosomique contient deux gènes essentiels à la régulation de la croissance; les gènes IGF2 et H19. IGF2 est un facteur de croissance stimulant la prolifération cellulaire et H19 code un ARN non codant. L´expression de ces gènes est extrêmement régulée par un mécanisme complexe d´empreinte parentale. Sur le chromosome maternel, le gène ’’IGF2’’ est réprimé et H19 est exprimé alors que sur le chromosome paternel, le gène IGF2 est exprimé et H19 réprimé. Le syndrome résulte d´une duplication partielle de la partie terminale du chromosome 11 paternel. Cette duplication apporte une copie supplémentaire du gène IGF2 sur le chromosome 11 conduisant à une augmentation de la production du facteur de croissance IGF2.