Chapter 1: DNA, Cells, and Evolution

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1.8:

Taille du génome et évolution des nouveaux gènes

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Genome Size and the Evolution of New Genes

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Malgré la nature simple du code génétique, il y a une variation considérable en termes de taille génomique, entre le génome le plus petit connu, soit la protéobactérie Candidatus Carsonella ruddii qui a moins de 160 000 paires de base, au plus grand connu soit la plante à fleurs japonaise, le Paris japonica qui en a environ 150 milliards. Malgré ces extrêmes, en général les bactéries et archées ont environ 3, 000 gènes dans leurs génomes. Car les procaryotes n’ont presque aucunes séquences non-codantes, ce qui signifie que leurs génomes peuvent être relativement petits par rapport à ceux des eucaryotes.Un génome plus petit signifie également moins de réplicats à chaque tour de division cellulaire, ce qui fait sens logique pour une reproduction rapide. Typiquement, les eucaryotes ont aux environs de 20 000 gènes mais leurs génomes sont ponctués par de longues étendues de séquences non-codantes, ce qui signifie que la taille de leurs génomes n’est pas nécessairement liée à la complexité. Le génome du Paris japonica peut faire plus de 50 fois la taille du génome humain, mais cela est dû au moins en partie, à de grandes quantités de séquences non-codantes et probablement des niveaux élevés de duplication, et pas nécessairement plus de gènes nouveaux.Alors, comment les organismes peuvent-ils développer de nouveaux gènes Typiquement la réponse est en modifiant la séquence qui existe déjà. L’une des principales ressources pour l’apparition de nouveaux gènes est la duplication génétique. Imaginez une section d’ADN contenant un gène qui est accidentellement dupliqué.Maintenant, l’organisme a une deuxième copie d’un gène existant. Ces nouvelles copies de gènes sont exemptes des contraintes imposées à l’original pour maintenir la fonction de base. Et ainsi, elles peuvent diverger, potentiellement en développant un nouveau rôle ou en modifiant la fonction d’origine.Un autre moyen de créer de nouveaux gènes est la recombinaison aléatoire d’ADN où les segments d’un gène ou d’une copie de gène existant sont séparés et se déplacent pour rejoindre ceux d’un gène différent, créant ainsi un gène hybride qui peut assurer une nouvelle fonction. La mutation intragénique, changements dans une séquence génique introduits par des mutations au fil du temps, explique de nombreux nouveaux gènes. Cette divergence est la plus notable quand l’on compare des espèces ou lignées qui divergent indépendamment.Une fois que cette divergence va au-delà d’un certain point ou qu’un gène prend une nouvelle fonction. Ils peuvent être classés comme des gènes entièrement différents. Enfin, le transfert horizontal de gènes apporte de nouveaux gènes et de nouvelles séquences au génome depuis des sources externes, comme d’autres individus et même d’autres espèces.Ce type d’acquisition de nouveaux gènes est plus courant chez les procaryotes et les archées avec en exemple bien connu le transfert des gènes de résistance aux antibiotiques. Bien que rare chez les eucaryotes, il est toujours considéré comme une source essentielle de nouveauté génétique. Et le matériel génétique peut même venir d’espèces éloignées telles que les bactéries et les champignons, dans cet exemple.

1.8:

Taille du génome et évolution des nouveaux gènes

Bien que chaque organisme vivant ait un génome quelconque (que ce soit de l’ARN ou de l’ADN), il existe une variation considérable dans la taille de ces plans. Un facteur majeur qui influe sur la taille du génome est de savoir si l’organisme est procaryote ou eucaryote. Chez les procaryotes, le génome contient peu ou pas de séquence non codante, de sorte que les gènes sont étroitement regroupés en groupes ou en opérons séquentiellement le long du chromosome. Inversement, les gènes chez les eucaryotes sont ponctués de longues séquences non codantes. Dans l’ensemble, cela contribue au phénomène selon lequel les génomes procaryotes ont tendance à être plus petits (c’est-à-dire qu’ils contiennent moins de bases) en moyenne que ceux des eucaryotes.

Sans surprise, compte tenu de cette observation, les plus petits génomes connus sont pour la plupart des procaryotes. Candidatus Carsonella rudii, par exemple, est une protéobactérie très simplifiée qui a une taille de génome de seulement 160 000 paires de bases. Ayant perdu de nombreux gènes dont il avait besoin pour synthétiser des protéines essentielles à la vie, il a évolué pour devenir un symbiote intracellulaire obligatoire. À l’opposé du spectre, la plante à fleurs eucaryote japonaise Paris japonica est l’un des plus grands génomes connus, avec environ 150 milliards de paires de bases. Bien que le nombre de gènes codés ne soit pas connu, le génome présente de grandes quantités de duplication et de séquences non codantes.

Dans le génome d’un procaryote moyen, il y a environ 3 000 gènes. L’eucaryote moyen en a environ 20 000. Mais la taille du génome, en particulier chez les eucaryotes, est extrêmement variable – en grande partie en raison de la quantité de séquences non codantes.

La création de nouveaux gènes

Afin de développer de nouveaux gènes, les organismes ont quelques options principales. Le point commun de la plupart d’entre eux est qu’ils modifient des séquences déjà existantes.

La duplication joue un rôle important dans la création de nouveaux gènes, et il existe quelques types de duplication qui peuvent entraîner ces nouvelles séquences. Dans la duplication de gènes, une section d’ADN contenant un gène est dupliquée. Ce second exemplaire ne subit pas la pression de sélection qui contraint le premier, et peut donc diverger. Avec le temps, cela peut conduire à l’apparition de nouveaux gènes, avec de nouveaux rôles.

Un autre type de duplication – le brassage d’ADN – peut entraîner la duplication d’une seule section d’un gène et la jonction d’un autre gène. Cela peut entraîner la création de nouveaux gènes, avec de nouveaux produits.

Parfois, de nouveaux gènes évoluent simplement à partir de mutations accumulées au fil du temps. Ceci est connu sous le nom de mutation intragénique, et est le plus visible lors de la comparaison entre les espèces ou les populations divergentes.

Enfin, il est également possible d’obtenir de nouveaux gènes à partir de sources externes, dans un processus connu sous le nom de transfert horizontal de gènes. Cela signifie que le matériel génétique peut être incorporé à partir d’autres individus, parfois de la même espèce, mais aussi potentiellement d’une autre espèce entièrement différente. C’est une source fréquente de nouveaux gènes chez les procaryotes et les archées. Il est moins fréquent chez les eucaryotes, mais il a été démontré que cela se produit, et les eucaryotes peuvent même récupérer des informations génétiques à partir de sources aussi éloignées que des bactéries ou des champignons.

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Genome Size Evolution New Genes Genetic Code Variation Proteobacterium Candidatus Carsonella Ruddii Japanese Flowering Plant Paris Japonica Bacteria Archaea Prokaryotes Eukaryotes Non-coding Sequences Replication Cell Division Complexity Gene Duplication