La complexification des génomes : transferts horizontaux et endosymbioses

a) Un transfert vertical est la transmission de l'information génétique d'un parent à ses descendants, par reproduction sexuée ou asexuée. Un transfert horizontal est le passage de matériel génétique entre deux organismes qui ne sont pas en relation de filiation, souvent d'espèces différentes.

b) (1) L'allèle passe de la mère à sa fille par un gamète puis la fécondation : transfert vertical. (2) Le plasmide passe d'une E. coli à une Shigella, deux espèces différentes, sans relation parent-descendant : transfert horizontal (par conjugaison). (3) Chaque cellule fille reçoit une copie du chromosome de la cellule mère : transfert vertical (reproduction asexuée).

c) L'intégration de l'ADN viral dans la spermatogonie fait passer des gènes d'un virus à un mammifère, sans filiation : c'est un transfert horizontal. La cellule touchée appartient à la lignée germinale : les spermatozoïdes qui en dérivent portent la séquence, qui passe ensuite aux descendants par la reproduction : c'est un transfert vertical. La séquence est devenue un rétrovirus endogène.

a) A : transformation (absorption d'ADN libre). B : transduction (ADN transporté par un bactériophage). C : conjugaison (plasmide transféré par un pont entre deux cellules).

b) Seule la conjugaison exige un contact : le pilus relie physiquement les deux bactéries. Dans la transformation, l'ADN est libre dans le milieu ; dans la transduction, c'est le phage qui se déplace d'une bactérie à l'autre.

c) La DNase détruit l'ADN qui se trouve libre dans le milieu : elle empêche donc la transformation. Dans la transduction, l'ADN est protégé à l'intérieur de la capside du phage ; dans la conjugaison, il passe directement du cytoplasme de la donneuse à celui de la receveuse, sans être exposé au milieu.

d) Dans les trois cas, l'ADN passe entre des bactéries qui coexistent, et non d'une cellule mère à ses cellules filles ; donneuse et receveuse peuvent même appartenir à des espèces différentes. Ce sont donc des transferts horizontaux.

a) Les caractéristiques (1), (2), (3), (4) et (5) rapprochent la mitochondrie d'une bactérie : double membrane, ADN circulaire sans histones, ribosomes sensibles aux mêmes antibiotiques que ceux des bactéries, division par scission, lipide membranaire d'origine bactérienne.

b) Les mitochondries dérivent d'une α-protéobactérie. Elles sont issues d'une endosymbiose : cette bactérie a vécu à l'intérieur d'une cellule hôte, avec un bénéfice réciproque (production d'ATP par la respiration pour l'hôte ; abri et nutriments pour la bactérie).

c) Non. Au cours de la longue cohabitation, l'endosymbiote a perdu une grande partie de ses gènes et beaucoup ont été transférés dans le noyau de l'hôte. Les protéines correspondantes sont fabriquées dans le cytosol puis importées dans la mitochondrie. La caractéristique (6) est une conséquence de l'endosymbiose ; elle explique d'ailleurs pourquoi une mitochondrie ne peut plus vivre hors de la cellule.

a) Le milieu contient les deux antibiotiques. La souche A, sensible à la streptomycine, est tuée ; la souche B, sensible à l'ampicilline, l'est aussi. Ces témoins montrent qu'aucune bactérie ne devient spontanément résistante aux deux antibiotiques (pas de mutation détectable).

b) Une colonie sur ce milieu est formée de bactéries résistantes aux deux antibiotiques. Les bactéries A ne peuvent pas acquérir la résistance à la streptomycine, due à une mutation chromosomique non transférable. Ce sont donc des bactéries B (résistantes à la streptomycine) qui ont acquis la résistance à l'ampicilline : elles ont reçu le gène porté par le plasmide de A. Comme B seule ne donne rien (expérience 2), ce gène ne peut venir que de A.

c) Quand les bactéries sont séparées par un filtre qui laisse passer l'ADN libre et les virus, aucun transfert n'a lieu : ni la transformation ni la transduction ne l'expliquent. Le transfert exige un contact entre les cellules : c'est une conjugaison.

d) $f=\frac{5600}{2\times {10}^8}=2,8\times {10}^{-5}$. Comme $2,8$ est compris entre 1 et 10, la fréquence est de l'ordre de ${10}^{-5}$ : environ 3 bactéries receveuses sur 100 000 ont acquis le plasmide.

e) Les colonies obtenues sont des bactéries C (seules résistantes à l'acide nalidixique) devenues résistantes à l'ampicilline. Une bactérie qui a reçu le plasmide est donc capable de le transmettre à son tour : le gène de résistance, porté par un plasmide transférable, peut se propager de proche en proche dans les populations bactériennes, y compris entre espèces.

a) C'est le témoin : sans extrait, aucune colonie. Les bactéries sensibles ne deviennent pas résistantes par elles-mêmes (mutation spontanée non détectée) et le milieu tue bien les bactéries sensibles. Les colonies des autres essais sont donc dues à l'extrait.

b) La DNase, qui détruit l'ADN, supprime totalement l'apparition de colonies (0 contre 312). La protéase (297) et la RNase (305) laissent un nombre de colonies voisin de celui de l'extrait non traité. La molécule responsable est donc l'ADN.

c) L'écart avec la protéase est de $312-297=15$ colonies, soit $\frac{15}{312}\approx 4,8$ % : il est du même ordre que l'écart observé avec la RNase (7 colonies) et relève de la variabilité des comptages. Si des protéines étaient indispensables, leur destruction ferait chuter fortement le nombre de colonies, comme la DNase. On ne peut pas conclure à un rôle des protéines.

d) C'est une transformation. La bactérie receveuse doit être compétente, c'est-à-dire capable d'absorber de l'ADN présent dans le milieu. Le fragment absorbé doit ensuite être intégré au chromosome (ou être un plasmide capable de se répliquer) pour être copié à chaque division et transmis à toutes les cellules filles.

a) $\frac{2,6\times {10}^8}{2,7\times {10}^9}\approx 0,0963$, soit environ 9,6 % du génome de la souris.

b) Un rétrovirus infecte une cellule ; sa transcriptase inverse copie son ARN en ADN, qui s'intègre dans un chromosome (provirus). Si la cellule infectée appartient à la lignée germinale, les gamètes qui en dérivent portent le provirus ; l'embryon issu de la fécondation le possède alors dans toutes ses cellules et le transmet à ses propres descendants : c'est un rétrovirus endogène, hérité verticalement génération après génération.

c) Sans syncytine-A fonctionnelle, les cellules du trophoblaste ne fusionnent pas, le placenta fonctionne mal et l'embryon meurt. La syncytine-A est donc nécessaire à la fusion des cellules du trophoblaste en une couche continue (syncytiotrophoblaste) qui assure les échanges mère-embryon : elle est indispensable au bon déroulement de la gestation.

d) Le gène env servait au virus à fusionner son enveloppe avec la membrane de la cellule infectée. Intégré au génome de l'hôte, il est désormais utilisé par l'animal pour sa propre fonction, la fusion de cellules placentaires, et il est conservé car il est devenu indispensable. Un gène d'origine étrangère est passé au service de l'hôte : on parle de domestication.

a) La grande sous-unité est codée par l'ADN chloroplastique : son gène est transcrit et traduit dans le chloroplaste, par ses propres ribosomes de type bactérien. La petite sous-unité est codée par le noyau : l'ARNm est traduit par les ribosomes du cytosol, puis la protéine est importée à travers les deux membranes du chloroplaste. Les sous-unités s'assemblent dans le stroma.

b) $\frac{130}{3200}\times 100\approx 4,06$ : le génome chloroplastique ne représente qu'environ 4 % du nombre de gènes d'une cyanobactérie.

c) Le chloroplaste dérive d'une cyanobactérie endosymbiote. Au fil de l'évolution, des gènes devenus inutiles dans la vie intracellulaire ont été perdus et d'autres ont été transférés dans le noyau de l'hôte : c'est le cas de rbcS. La protéine est désormais fabriquée hors de l'organite puis importée. Ces pertes et ces transferts expliquent le génome réduit et la double localisation des gènes de la Rubisco.

d) Posséder un ADN ne suffit pas à être autonome. Le chloroplaste dépend de centaines de protéines codées par le noyau (dont la petite sous-unité de la Rubisco), qu'il est incapable de fabriquer. Isolé de la cellule, il ne peut ni les obtenir ni se multiplier durablement : il n'est plus une bactérie, mais un organite dépendant.

1. Les animaux ne fabriquent pas de caroténoïdes et les prélèvent dans leur nourriture. Or le torulène du puceron n'est produit par aucune plante, donc il ne vient pas de sa nourriture, et ses bactéries symbiotiques ne le fabriquent pas. Le puceron doit donc synthétiser lui-même ce pigment, ce qui suppose qu'il possède les enzymes, donc les gènes correspondants : c'est une exception chez les animaux.

2. Aucun autre insecte ne possède de gène homologue : le gène n'a pas été hérité d'un ancêtre commun aux insectes. L'enzyme du puceron est beaucoup plus proche de celle d'un champignon ascomycète (61 % d'identité) que de celles d'une bactérie (38 %) ou d'une plante (34 %). Un gène hérité verticalement ressemblerait à des gènes d'animaux proches. On peut donc proposer que ces gènes proviennent d'un transfert horizontal depuis un champignon.

3. Une contamination introduirait de l'ADN de champignon indépendant, sous forme de fragments isolés, sans lien avec les chromosomes du puceron. Or ces gènes sont insérés dans les chromosomes du puceron, entre des gènes d'insecte, et ils sont transmis à la descendance. De plus, l'absence d'un seul de ces gènes est associée à la couleur verte : ces gènes fonctionnent bien dans le puceron et déterminent son phénotype. Ils font donc partie de son génome.

4. Chez un ancêtre du puceron du pois, des gènes de synthèse des caroténoïdes d'un champignon sont entrés dans une cellule de la lignée germinale et se sont intégrés aux chromosomes : c'est un transfert horizontal d'un champignon vers un animal. Ils ont ensuite été transmis verticalement à toute la descendance. Le génome du puceron s'est ainsi enrichi de gènes déjà fonctionnels, qui lui confèrent une capacité inconnue chez les autres animaux : produire un pigment rouge. Cet exemple illustre la complexification des génomes par transfert horizontal chez un eucaryote pluricellulaire.

1. Un rétrovirus infecte une cellule de la lignée germinale ; son ADN, obtenu par transcription inverse, s'intègre dans un chromosome. Les gamètes qui en dérivent portent ce provirus, présent ensuite dans la cellule-œuf puis dans toutes les cellules de l'individu issu de la fécondation. Transmis de génération en génération, il peut se répandre jusqu'à être présent chez tous les individus de l'espèce.

2. Chaque syncytine n'est présente que dans une lignée : syncytine-2 chez les primates, syncytine-A chez les rongeurs, syncytine-Ory1 chez le lapin. Si elles provenaient d'un gène ancestral commun, on trouverait un même gène, à la même position, dans les trois lignées. Or elles dérivent de rétrovirus différents, ont des séquences très différentes et occupent des positions différentes : elles ne sont pas homologues. Elles résultent de trois captures indépendantes, chacune survenue après la séparation des lignées.

3. Le placenta à cellules fusionnées existait déjà chez l'ancêtre des placentaires, avant ces captures. On s'attendrait donc à un gène de fusion commun, hérité de cet ancêtre. Hypothèse : un premier gène de syncytine a été capturé chez l'ancêtre des placentaires ; plus tard, dans chaque lignée, un nouveau gène env capturé a pris le relais, et l'ancien, devenu inutile, a accumulé des mutations jusqu'à disparaître. La convergence s'explique par la propriété commune des gènes env : provoquer la fusion de membranes.

4. Oui : un gène entier, déjà fonctionnel (fusion de membranes), est entré dans le génome par transfert horizontal depuis un virus puis a été domestiqué pour une fonction indispensable à la reproduction. Le phénomène s'est répété plusieurs fois, ce qui montre que les virus sont une source régulière de gènes nouveaux. Nuance : ces événements restent rares, et la grande majorité des séquences rétrovirales endogènes n'ont aucune fonction connue.

1. Le chloroplaste des plantes est issu d'une endosymbiose primaire : une cellule eucaryote a intégré une cyanobactérie, bactérie limitée par deux membranes. Le chloroplaste a conservé cette enveloppe à deux membranes.

2. Le nucléomorphe est un noyau à double enveloppe, accompagné de cytoplasme et de ribosomes eucaryotes : ce sont les restes d'une cellule eucaryote entourant le chloroplaste. Son ARNr se range parmi ceux des algues rouges, tandis que celui du noyau principal appartient à une autre lignée : l'hôte et cette cellule sont deux eucaryotes différents. Le chloroplaste, lui, se range avec ceux des algues rouges, parmi les cyanobactéries. Le chloroplaste et le nucléomorphe proviennent donc d'une algue rouge entière, intégrée par la cryptophyte ancestrale.

3. Première endosymbiose (primaire) : un eucaryote intègre une cyanobactérie, qui devient un chloroplaste à deux membranes ; cette lignée donne les algues rouges. Seconde endosymbiose (secondaire) : un autre eucaryote, ancêtre des cryptophytes, intègre une algue rouge qui se réduit à son chloroplaste, un peu de cytoplasme et son noyau (le nucléomorphe). Membranes, de l'intérieur vers l'extérieur : les deux premières = enveloppe du chloroplaste de l'algue rouge ; la troisième = membrane plasmique de l'algue rouge ; la quatrième = membrane de l'hôte qui a entouré l'algue lors de son intégration.

4. Comme lors de l'endosymbiose primaire, la plupart des gènes du noyau de l'algue rouge ont été perdus ou transférés dans le noyau de l'hôte. Le nucléomorphe n'a conservé qu'un petit nombre de gènes, dont plusieurs codent des protéines nécessaires au fonctionnement du chloroplaste.

5. Une cellule de cryptophyte contient quatre génomes : le noyau de l'hôte (eucaryote), le nucléomorphe (noyau de l'algue rouge), l'ADN du chloroplaste (cyanobactérie) et l'ADN mitochondrial (α-protéobactérie, mitochondries de l'hôte ; celles de l'algue rouge ont disparu, document 3). Quatre lignées différentes ont ainsi contribué à un même organisme : exemple extrême de complexification par endosymbioses.