La Diversification du Vivant et les Mécanismes de Transfert Génétique

L'évolution du génome et la diversification des espèces ne se limitent pas auxmutations et aux brassages génétiques de la reproduction sexuée (transferts génétiques verticaux). D'autres mécanismes, génétiques ou non, contribuentà enrichir les génomes et à augmenter la variabilité au sein des espèces.

I. Diversification du Vivant par Modification du Génome : Les Transferts Horizontaux

Les transferts horizontaux de gènes (aussi appelés transferts latéraux de gènes) sont des processus par lesquels un organisme intègre du matériel génétique provenantd'un autre organisme sans en être un descendant. Ce phénomène est très fréquent chez les bactéries et chez les Eucaryotes, souvent par l'intermédiaire de virus. La possibilité de ces transferts est due à l'universalité del'ADN (nature, structure et codage).

1. L'acquisition d'un nouveau phénotype par association de gènes : les transferts horizontaux

a. Les transferts horizontaux chez les bactéries :

• Transformation bactérienne :C'est la capacité des bactéries d'intégrer de l'ADN libre (et donc des gènes) dans leur cellule. Cet ADN provient généralement de bactéries mortes. Les transformations génétiques peuvent être :
  • Naturelles : Elles entraînent des recombinaisons génétiques et l'apparition de nouveautés dans le génome, jouant un rôle dans l'évolution des espèces.
  • Artificielles : Réalisées par génie génétique, elles permettent l'ajout ou le remplacement de gènes (transgénèse). L'expérience de Griffith en 1928, avec les pneumocoques S et R, est un exemple fameux de ce phénomène.
• Transformation avec plasmide : Une bactérie "donneuse" peut libérer ses gènes sous forme libre ou via des plasmides (mini-chromosomes circulaires). Ces plasmides sont ensuite transférés et intégrés au génome d'une bactérie "receveuse", lui conférant une nouvelle fonction. C'est un exemple d'hérédité cytoplasmique, car les gènes sont transmis sans lien avec la reproduction.
• Conjugaison bactérienne : Ce mécanisme implique le transfert d'ADN d'une bactérie "donneuse" à une bactérie "receveuse" par contact direct, via un pili (pont cytoplasmique). Le transfert est unidirectionnel. La capacité dedonner est liée à la présence d'un plasmide spécifique, le facteur F (ou facteur de fertilité/sexuel), qui contient les gènes nécessaires à sa réplication et au transfert d'ADN.

b. Les transferts de gènes par les virus :

• Transduction : C'est le transfert d'ADN d'une bactérie "donneuse" à une bactérie "receveuse" par l'intermédiaire d'un bactériophage (un virus qui infecte les bactéries).
  1. Un bactériophage infecte une bactérie "donneuse" et injecte son ADN viral.
  2. Les bactériophages fragmentent le génome de l'hôte.
  3. Des fragments d'ADN bactérien sont accidentellement empaquetés dans la capside des nouveaux bactériophages.
  4. Ces phages libérés infectent d'autres bactéries.
  5. Le virus injecte l'ADN bactérien qu'il contient dans la nouvelle bactérie receveuse.
  6. La bactérie receveuse acquiert un génome recombiné et peut exprimer un nouveaucaractère (ex: résistance à un antibiotique).

  "Le gène de la syncytine, indispensable à la formation du placenta, aurait été transmis par un virus."

2. Les transferts horizontaux et évolution

Lestransferts verticaux de gènes, hérités d'un ancêtre commun via la reproduction, sont la base des arbres phylogénétiques. Cependant, la présence de certains gènes chez des organismes phylogénétiquement très éloignés (ex: le gène du placenta d'origine virale) est une preuve de transferts horizontaux de gènes. Ces transferts sont fréquents et contribuent massivement à la diversification du monde vivant en conférant de nouveaux caractères aux lignées receveuses. On estime que 8 à 10% du génome humain est d'origine virale.

3. Transferts horizontaux de gènes et santé humaine

a. La transmission de l'antibiorésistance :

L'usage intensif d'antibiotiques favorise l'apparition et la propagation rapide de gènes de résistance entre bactéries via lesplasmides ou la conjugaison (transfert horizontal) ou de gènes de virulence. Les hôpitaux, lieux de forte concentration de bactéries multirésistantes, sont le théâtre de nombreuses maladies nosocomiales (liées aux soins hospitaliers), responsables d'environ 4000 décès par an en France selon le ministère de la Santé.

b. La production biotechnologique de molécules d'intérêt par transgénèse :

La compréhension des mécanismes de transferts horizontaux de gènes a ouvert la voie aux applications biotechnologiques, notamment la transgénèse pour créer des organismes génétiquement modifiés (OGM). Le génie génétique permet par exemple la production d'insuline humaine. Le gène de l'insuline, isolé et cloné, est intégré à des plasmides bactériens qui sont ensuite introduits dans des bactéries (ex: Escherichia coli). Ces bactéries génétiquement modifiées sont cultivées pour produire de grandes quantités d'insuline, utilisée pour traiter le diabète.

II. Des Diversifications sans Modification du Génome : Les Endosymbioses

La diversification du vivant peut également se produire sans modification directe du génome de l'organisme hôte par l'intégration de matériel génétique exogène, mais par l'intégration d'un organisme complet.

1. Une endosymbiose peut être à l'origine de la diversification du vivant

L'endosymbiose est une forme de symbiose (association à bénéfice réciproque) où l'un des organismes (l'endosymbiote) est contenu à l'intérieur de l'autre. Au fil des générations, le génome de l'endosymbiote régresse, et certains de ses gènes peuvent être transférés dans le noyau de l'hôte. Cela confère de nouvelles propriétés aux organismes, les rendant plus efficaces dans leur environnement. Un exemple frappant est la limace de mer Elysia chlorotica, capable de photosynthèse grâce aux chloroplastes qu'elle intègre de son alimentation.

2. L'origine des chloroplastes et mitochondries

Les cellules eucaryotes contiennent des organites délimités par des membranes, dont les mitochondrieset les chloroplastes. Ces deux organites ont la particularité de posséder leur propre génome, distinct de celui du noyau, et sont transmis d'une génération cellulaire à l'autre (hérédité cytoplasmique).

Ils présentent des caractéristiques bactériennes notables :

• Dimensions similaires à celles des bactéries.
• ADN circulaire, non associé à des histones (comme chez les bactéries).
• Double membrane.
• Ribosomes.
• Multiplication par étranglement médian.

La comparaison des génomes mitochondrial et chloroplastique révèle que leurs plus proches parents sont respectivement les protéobactéries et les cyanobactéries, confortant l'hypothèse qu'ils sont issus d'événements d'endosymbiose. Les premières cellules eucaryotes, apparues il y a environ 2 milliards d'années, se seraient diversifiées grâce à des événements d'endosymbiose (primaire, secondaire, tertiaire, etc.). Ces intégrations successives ont permis à la nouvelle cellule d'acquérir de nouvelles potentialités métaboliques, commela respiration énergétique avec les mitochondries ou la photosynthèse avec les chloroplastes.