Duplication (génétique) - Définition

Duplication en tandem d´exons

La duplication en tandem d´exons correspond à une duplication interne d´un exon au sein du même gène. Ce type de duplication est une source d´innovation importante car il permet de générer au sein d´une même protéine de nouvelles fonctions. Une analyse complète des génomes d´Homo sapiens, de Drosophila melanogaster et du ver Caenorhabditis elegans ont montré 12291 cas de duplication en tandem d´exons. L´analyse des régions introniques a également mis en évidence 4660 exons dupliqués non caractérisés. Parmi ces exons potentiels, 35,1% sont retrouvés dans les banques de données d´EST confirmant leur rôle potentiel.

Importance des duplications géniques

Les duplications de gènes sont des évènements extrêmement fréquents. Ainsi, le nombre de répétitions d'un même gène peut varier entre les individus de la même espèce, formant ainsi un polymorphisme du nombre de répétitions. L'augmentation du nombre de gènes est cependant contrebalancée par une perte de gènes elle aussi assez forte, principalement par dérive génétique, mais aussi par contre-sélection de l'augmentation de la concentration en protéines générée par l'augmentation du nombre de gènes codant cette protéine.

Conséquences de la duplication

Il existe cinq scénario évolutifs faisant suite à une duplication génique:

• Effet dose : Pour certains gènes l´augmentation du nombre de copies et donc de la quantité de protéines a un effet bénéfique. Par exemple, le gène codant la chimiokine CCL3L1 est situé dans une région fortement dupliquée et la variation du nombre de copies de CCL3L1 entre individus est un facteur de susceptibilité au développement d´un SIDA.
• Adaptation cellulaire ou tissulaire : Les deux gènes gardent leur fonction originelle mais une des copies acquiert une expression spécifique d´un tissu (par exemple, l´expression du gène Glutamate déshydrogénase GLUD1 est ubiquitaire alors que la GLUD2 est exprimée spécifiquement dans le cerveau) ou bien la protéine codée par un gène dupliqué a une localisation cellulaire différente (par exemple: la kinase Wee1 est nucléaire alors que la kinase Myt1 est localisée au niveau du réticulum endoplasmique)
• Pseudogénisation : l'un des deux gènes dupliqués peut perdre sa fonction et ne plus être exprimé, se transformant ainsi en pseudogène.
• Subfonctionnalisation : si le gène originel avait deux "fonctions", l'un des deux gènes dupliqués peut perdre l'une des fonctions, et l'autre gène perdre la fonction complémentaire. Ainsi l'organisme est-il capable d'assurer les deux fonctions, mais elles sont alors assurées par deux protéines différentes. Cette subfonctionnalisation peut être sélectionnée, notamment si les deux fonctions présentent une certaine incompatibilité (expression dans des tissus différents, par exemple).
• Néofonctionnalisation : comme la fonction sélectionnée sur le gène originel est codée par deux copies de gènes, la pression de sélection peut se relâcher sur l'une de ces copies. Il peut ainsi y avoir apparition d'innovations évolutives, et apparition d'une nouvelle fonction.

Modèle de Duplication-Dégénération: un mécanisme de fission génique

Au cours de l´évolution des génomes, les gènes peuvent fusionner ou bien se fissurer. Une des conséquences de la subfonctionnalisation d´un gène dupliqué peut être la fission d´un gène en deux gènes différents. En effet, dans le cas où le gène originel code une protéine avec deux domaines fonctionnels distincts notés I et II, l´un des gènes dupliqués accumule des mutations (dégénération) dans la région correspondant au domaine II alors que le second gène accumule des mutations dans la région correspondant au domaine I. Il en résulte un gène 1 codant une protéine avec le domaine I et un second gène codant une protéine avec le domaine II. Ce mécanisme de fission génique a été mis en évidence chez la drosophile au cours de l´étude du gène Monkey-king.

Modèle de Bateson-Dobzhansky-Muller: Duplication du génome et incompatibilité génique

L´isolement reproductif est un processus essentiel à la spéciation car elle permet d´initier la divergence et le maintien d´espèces distinctes. Si deux espèces proches sont adaptées à des environnements différents, leurs hybrides seront moins bien adaptés à ces environnements : on parle de faiblesse hybride. Ce phénomène peut être expliqué par le modèle Dobzhansky-Muller d´incompatibilité génique développé par Theodosius Dobzhansky en 1936 et Herman Joseph Müller en 1942. La redécouverte des travaux de William Bateson a amené certains auteurs à parler de modèle Bateson-Dobzhansky-Muller. Le modèle propose que les interactions épistatiques négatives entre deux loci conduit à la faiblesse hybride. En 2000, Michael Lynch et Allan G. Force ont adapté le modèle d´incompatibilité génique à la duplication génique. Ils proposèrent que suite à une duplication génique, la perte génique réciproque est un facteur entrainant l´isolement reproductif. Ainsi, ce modèle expliquerait la corrélation entre des évènements de duplication complète du génome et la radiation évolutive de certains phyla. Par exemple, il a été démontré que chez l´ancêtre de la levure de boulanger qui a subi une duplication complète du génome, la perte rapide des gènes dupliqués a favorisé l´émergence de nombreuses espèces de levures par un mécanisme d´incompatibilité génique.

Origine des microRNAs chez les plantes

Les microARNs sont des ARN simple-brins de 21-23 nucléotides de long qui régulent l´expression génique post-traductionnellement. Chez la plante Arabidopsis thaliana, il existe une classe de microARNs qui présentent une forte homologie de séquence avec leurs gènes cibles et apparurent récemment au cours de l´évolution. Ces microARNs sont le résultat de duplications géniques inversées.