Les transferts génétiques horizontaux - Maxicours

Les transferts génétiques horizontaux

Objectif
  • Définir les transferts horizontaux de gènes.
  • Étudier des expériences historiques mettant en évidence la transformation bactérienne.
  • Recenser des informations attestant l’existence de transferts horizontaux de gènes dans l’histoire du génome humain.
  • Comprendre comment la connaissance des mécanismes de transferts horizontaux permet des applications biotechnologiques.
Points clés
  • De l’ADN et des allèles peuvent être transmis entre des organismes non apparentés. On appelle cela un transfert horizontal.
  • Ce mécanisme permet d’augmenter la diversité génétique d’une espèce.
  • Des innovations évolutives proviennent de transferts horizontaux. Le placenta des mammifères en est un exemple.
Pour bien comprendre
  • Le code génétique de l’ADN est universel. Les mécanismes biologiques d’expression du patrimoine génétique sont similaires chez tous les êtres vivants.
  • Un virus est un parasite cellulaire qui se multiplie en utilisant la machinerie de la cellule qu’il infecte.
1. Transferts verticaux et transferts horizontaux

La reproduction, de type sexué et asexué, est un mécanisme qui permet à un organisme de transmettre son patrimoine génétique à d’autres organismes, ses enfants. Au moins une partie de son génome est copié chez ses descendants et passe d’une génération à l’autre. Ainsi ses allèles se diffusent dans la population.
Puisque dans la reproduction sexuée, les allèles passent des parents aux enfants avec un décalage temporel, on parle de transfert vertical.
C’est par exemple le cas lorsqu’une cellule se divise par mitose.


Transfert vertical d’allèles
La cellule mère transmet les allèles A et a à la génération suivante.
Source : Matthieu Sales-Davy, CC BY-SA 3.0

Il existe cependant plusieurs mécanismes dans la nature permettant le transfert de matériel génétique entre des organismes non apparentés, sans passer par la reproduction. Dans ce cas, une cellule (dite receveuse) reçoit de l’ADN provenant d’une autre cellule (dite donneuse) et l’intègre dans son propre patrimoine génétique. On appelle ce mécanisme transfert horizontal, car il n’y a pas de décalage temporel.


Transfert horizontal de gènes
Du matériel génétique passe d’une cellule donneuse à une cellule receveuse qui intègre cet ADN dans son propre génome.
Source : Matthieu SALES-DAVY, CC BY-SA 3.0
2. La transformation bactérienne

La transformation bactérienne est le premier mécanisme de transfert horizontal observé. Il a été mis en évidence par un médecin anglais, Frederick Griffith, en 1928, grâce à une série d’expériences qui sont devenues célèbres.

Griffith travaillait sur deux souches de bactéries pneumococcus :

  • une souche lisse, virulente, qui tue un lapin lorsqu’elle lui est inoculée ;
  • une souche rugueuse, non virulente, qui est inoffensive lorsqu’elle est injectée à un lapin.

Griffith a montré qu’on pouvait « inactiver » les bactéries lisses en les soumettant à une source de chaleur (en réalité elles sont tout simplement mortes). Elles deviennent alors inoffensives et peuvent être injectées à un lapin sans provoquer de maladie.

Enfin, il observe que l’injection simultanée de bactéries lisses inactivées et de bactéries rugueuses est fatale pour les lapins. Surpris par ce résultat, il cultive les bactéries extraites du sang des lapins décédés. À sa grande surprise, il obtient des bactéries de souches lisses bien vivantes.
Il en conclut qu’un facteur virulent, responsable de la maladie chez la souche lisse, est passée des bactéries lisses aux bactéries rugueuses.
Les bactéries rugueuses ont été transformées en bactéries lisses.

Aujourd’hui, on sait qu’il s’agit du mécanisme de transformation bactérienne.
Les bactéries ont la capacité d’absorber de l’ADN présent dans le milieu extérieur. Les souches lisses ont été détruites par la chaleur, mais leur ADN est présent dans le milieu expérimental. Cet ADN est absorbé par les bactéries rugueuses de façon aléatoire. Si des bactéries rugueuses reçoivent l’allèle qui entraîne la virulence, elles deviennent elles-mêmes mortelles pour le lapin. Puisqu’il y a un très grand nombre de bactéries dans le milieu, cet évènement est assez probable.


Les expériences de Griffith
Il s’agit d’un cas de transformation bactérienne. L’ADN des cellules lisses mortes est absorbée par les cellules rugueuses, les transformant en cellules mortelles.
Source : Madprime, CC BY-SA 3.0
3. Transfert par voie virale

Au cours du cycle viral, le virus injecte dans le cytoplasme de la cellule cible son propre matériel génétique sous la forme d’ADN ou d’ARN. Dans ce dernier cas, l’ARN est rétrotranscrit en ADN qui va ensuite être intégré dans le génome de la cellule (les rétrovirus).

On connait aujourd’hui la séquence complète du génome humain. En plus des séquences codant pour des gènes connus et fonctionnels, on dénombre un grand nombre de séquences qui présentent des homologies avec des séquences virales (8 % seraient composées de vestiges rétroviraux).

Ainsi, la biodiversité du génome d’une espèce pourrait résulter de l’intégration stable de séquences virales.

Exemple
Au sein du génome d’Homo sapiens, on peut citer l’exemple du gène codant la syncytine. C’est une glycoprotéine d’enveloppe rétrovirale (HERV-W) capable d’induire les fusions membranaires indispensables à l’entrée du virus dans la cellule cible. Cette protéine est fortement produite par les cytotrophoblastes, cellules impliquées dans la formation du placenta. Elle permet la formation du syncytiotrophoblaste, siège des échanges materno-fœtaux.

Organisation comparée du gène de la syncytine humaine et de la structure schématique d’une séquence d’ADN d’une catégorie de virus (exemple : virus MSRV).
Les séquences LTR sont spécifiques de l’ADN de certaines catégories de virus. Elles sont nécessaires à l’intégration des gènes viraux dans le génome de la cellule hôte. Parmi les gènes viraux étudiés, la séquence ENV permet la synthèse de l’enveloppe virale.
Source : Académie de Besançon
d’après Dupressoir et coll. 2005, PNAS, 102(3) : 725-730 et Mayer 2013
4. Rôle des transferts horizontaux dans les biotechnologies

Comme les virus le montrent, des transferts horizontaux de gènes sont possibles entre des organismes appartenant à des espèces différentes, même très éloignées. Ceci est possible car le code génétique est universel. Ainsi, un gène provenant d’un mammifère peut être exprimé par une bactérie et vice-versa.

Cette propriété a été mise à profit par les scientifiques, afin de réaliser artificiellement des transferts horizontaux, souvent en imitant les processus naturels, comme l’utilisation de protéines bactériennes permettant les transferts horizontaux.

Grâce à ces biotechnologies, il est possible de créer en laboratoire des organismes génétiquement modifiés (OGM). Il est ainsi possible, par exemple, d’insérer un gène d’intérêt humain chez une bactérie, afin de lui faire produire telle ou telle molécule.

Exemple
Les patients souffrant de diabète de type I, également nommé insulino-dépendant, n’ont pas la capacité de produire eux-mêmes de l’insuline, qui est une hormone protéique indispensable à la régulation de la glycémie. Ils doivent donc impérativement recevoir quotidiennement, durant toute leur vie, des injections de cette molécule pour survivre. Pendant longtemps, il n’a été possible que d’utiliser de l’insuline extraite d’animaux d’élevage, ce qui limitait beaucoup la production et augmentait le cout du traitement. Depuis, le gène de l’insuline humaine a été inséré dans des souches bactériennes, afin qu’elles produisent de l’insuline dans des bioréacteurs. Les couts de ce traitement ont été drastiquement réduit, améliorant les conditions de vie de millions de personnes dans le monde.

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