Ces poissons ont volé un gène antigel à un autre poisson et sont devenus des OGM naturels

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Des millions d’années avant que les scientifiques ne créent du saumon atlantique génétiquement modifié avec les gènes de deux autres poissons, la nature a créé l’éperlan génétiquement modifié avec un gène du hareng, selon des preuves de plus en plus nombreuses.

Et maintenant, les scientifiques canadiens qui ont proposé pour la première fois cette idée controversée disent qu’ils ont une idée de la façon dont la nature aurait pu le faire.

Une nouvelle étude menée par les chercheurs de l’Université Queen’s Laurie Graham et Peter Davies trouve des preuves «concluantes» de l’idée controversée selon laquelle le gène antigel qui aide l’éperlan arc-en-ciel à survivre dans les eaux côtières glacées provenait à l’origine du hareng et a été en quelque sorte volé par l’éperlan il y a environ 20 millions d’années.

Ils proposent en leur nouvel article dans Trends in Genetics que cela aurait pu se produire grâce à un processus assez similaire à la façon dont les gènes sont parfois transférés d’une espèce à une autre par les scientifiques du laboratoire aujourd’hui.

Voler des gènes d’autres espèces

Les gènes sont normalement transmis des parents à la progéniture. Mais au cours des dernières décennies, les scientifiques ont découvert qu’ils pouvaient aussi «sauter» ou être «volés» d’une espèce à une autre en dehors de la reproduction normale – un processus appelé transfert horizontal de gène ou transfert latéral de gène.

C’est quelque chose qui se produit fréquemment parmi les microbes tels que les bactéries – si fréquemment que le scientifique canadien W.Ford Doolittle a suggéré que cela pourrait expliquer une grande partie de l’histoire de la vie sur Terre.

Il y a eu des preuves récentes que cela se produisait dans certains organismes plus complexes. Par exemple, les pucerons semblent avoir volé un gène de champignon pour fabriquer un pigment végétal et les algues marines semblent avoir colonisé la terre il y a 500 millions d’années à l’aide d’un gène volé à des bactéries du sol. Plus récemment, les scientifiques ont rapporté la semaine dernière premier cas connu d’un gène transféré d’une plante à un animal.

Laurie Graham, associée de recherche à l’Université Queen’s, a déclaré que lorsqu’elle et Peter Davies ont proposé pour la première fois que le transfert horizontal de gènes s’était produit chez les poissons il y a plus de dix ans, ils avaient eu du mal à faire publier l’article. (Laurie Graham)

Dans des organismes plus complexes tels que les poissons et les humains, certaines séquences d’ADN de type virus appelées «éléments transposables» ou «transposons» sont également connues pour passer d’une espèce à l’autre.

Mais la même chose n’avait pas été constatée pour les gènes utiles qui codent pour des choses comme les protéines. En effet, les gènes des organismes multicellulaires ne peuvent être transmis de génération en génération que s’ils pénètrent spécifiquement dans les cellules reproductrices telles que les ovules ou les spermatozoïdes.

Davies est professeur et titulaire de la Chaire de recherche du Canada en génie des protéines à l’Université Queen’s. Graham est un associé de recherche dans son laboratoire.

Lorsque les deux hommes ont réalisé pour la première fois il y a plus de dix ans que le hareng et l’éperlan avaient dû partager leur protéine antigel via un transfert de gène horizontal, c’était la première fois que quelqu’un suggérait qu’un vertébré – un animal complexe avec une colonne vertébrale – avait transféré un tel gène. à un autre vertébré. Cela a rendu la chose assez controversée.

«Nous avons eu beaucoup de mal à trouver un journal pour rédiger notre premier article», se souvient Graham. « Les critiques n’étaient pas vraiment gentils et il y avait beaucoup de doute. »

Cela n’a pas aidé qu’un rapport de haut niveau sur le transfert horizontal de gènes dans des organismes complexes à l’époque, des bactéries aux humains, avait été remis en question par d’autres scientifiques, qui a proposé d’autres explications pour les gènes partagés entre les deux types d’organismes.

Des indices indiquant un gène volé

Graham avait à l’origine examiné différents types de protéines antigel, non seulement chez les poissons, mais aussi chez les insectes, les bactéries, les plantes et les petites créatures du sol appelées collemboles.

La plupart d’entre eux semblaient provenir d’un ancêtre commun, avec une structure similaire chez des animaux étroitement apparentés.

Le hareng est déchargé d’un bateau de pêche à Rockland, dans le Maine, en 2015. Les harengs du Pacifique et de l’Atlantique possèdent un gène antigel qui les aide à survivre dans les eaux côtières glacées. (Robert F. Bukaty / The Associated Press)

Mais ce n’était pas le cas pour le hareng et l’éperlan, qui sont si éloignés que la dernière fois qu’ils ont partagé un ancêtre remonte à 250 millions d’années, à peu près au moment où les premiers dinosaures sont apparus.

« Tous les autres gènes que nous avons examinés dans ces deux espèces, ils ont tendance à être assez différents », a déclaré Graham.

Pendant ce temps, a-t-elle ajouté, les cousins ​​plus proches n’ont pas la protéine antigel que le hareng de l’Atlantique, le hareng du Pacifique et l’éperlan arc-en-ciel partagent.

«Nous avons d’autres poissons qui sont plus étroitement liés à ces espèces qui fabriquent des types complètement différents de protéines antigel. Donc, cela n’a pas vraiment de sens sur une base évolutive si tout le monde hérite de leur protéine antigel de leurs ancêtres.

Les sceptiques n’étaient pas convaincus, alors les chercheurs ont cherché plus de preuves. Les poissons étroitement apparentés tels que les différents types d’éperlan ont tendance à avoir les mêmes gènes dans le même ordre. Et le chercheur a découvert que c’était le cas – à l’exception du gène antigel, qui a été trouvé entre deux gènes qui sont normalement côte à côte dans un autre éperlan.

«C’est ce à quoi vous vous attendez quand vous avez un gène qui a simplement été collé dans un génome par transfert horizontal de gènes.

Puis, récemment, les chercheurs ont appris que le génome du hareng de l’Atlantique avait été publié dans une base de données publique.

Ils ont décidé de regarder de plus près.

«L’une des leçons à retenir ici est que cette modification génétique se produit réellement dans la nature», a déclaré Peter Davies, professeur et titulaire de la Chaire de recherche du Canada en génie des protéines à l’Université Queen’s. (Peter Davies)

Vous vous souvenez de ces éléments transposables qui sautent souvent entre les organismes? Ils peuvent également être utilisés comme empreinte digitale pour un organisme particulier. Les harengs ont certains éléments transposables collés des centaines de fois sur tout leur génome, y compris dans et autour de leurs huit gènes antigel.

Lorsque les chercheurs ont examiné le gène antigel unique de l’éperlan, trois de ces éléments transposables de hareng étaient attachés, a déclaré Graham. « C’était donc comme une petite étiquette pour dire: » Hé, je suis du hareng « . » Ces éléments transposables ne se trouvaient nulle part ailleurs dans l’éperlan.

Les chercheurs affirment que c’est une preuve concluante que le gène de l’antigel s’est déplacé entre les deux poissons via un transfert de gène horizontal et qu’il est passé du hareng à l’éperlan et non l’inverse.

Comment le gène a-t-il sauté les espèces?

Lorsque les articles précédents des chercheurs ont fait l’objet d’un examen par les pairs, l’une des questions que les examinateurs se posaient était de savoir comment le gène aurait pu se déplacer d’une espèce à l’autre.

Une possibilité, pensaient-ils, était que cela pourrait être similaire aux techniques utilisées en laboratoire pour créer des animaux génétiquement modifiés. L’un, appelé «transfert de gène médié par le sperme», consiste à mélanger le sperme avec l’ADN que vous souhaitez introduire, puis à l’utiliser pour féconder un ovule.

« Et nous nous sommes dit: ‘Eh bien, cela ne pourrait-il pas aussi arriver dans la nature? » A rappelé Graham.

Les poissons et de nombreux autres animaux marins ont une fertilisation externe, où les œufs et le sperme – connus sous le nom de laitance – sont libérés dans l’eau en même temps en quantités massives pendant le frai, et certains d’entre eux se combinent pour produire une progéniture.

Graham a fait remarquer que lorsque le hareng fraye sur les côtes canadiennes de l’Atlantique et du Pacifique, «vous pouvez en fait voir que l’océan est en quelque sorte taché de blanc par toute la laitance que le hareng mâle libère».

Le sperme se brise après quelques heures, libérant de l’ADN dans l’eau. Et les chercheurs ont proposé que lors de l’un de ces événements, l’ADN du hareng se soit retrouvé dans les œufs ou le sperme d’éperlan arc-en-ciel.

Graham reconnaît qu’il n’y a aucun moyen de le prouver – « pas à moins d’avoir une machine à remonter le temps ».

Mais si c’est ainsi que les gènes ont été transférés, cela s’est probablement produit avec d’autres gènes de poissons également, a suggéré Davies, et les scientifiques devraient commencer à chercher d’autres exemples.

L’autre implication est que les organismes génétiquement modifiés, qui ont été caractérisés par les activistes comme des «Frankenfoods», pourraient ne pas être aussi artificiels.

« L’une des leçons à retenir ici est que cette modification génétique se produit réellement dans la nature », a déclaré Davies. « Pas très souvent – c’est probablement assez rare – mais peut-être que nous ne devrions pas être aussi alarmés à ce sujet. C’est en fait plus un événement naturel que nous ne le pensions auparavant. »

Ce que pensent les autres scientifiques

Garth Fletcher, professeur émérite et chef du département des sciences de l’océan à l’Université Memorial, est le co-inventeur du saumon génétiquement modifié d’Aquabounty (mais pas par transfert de gène médié par le sperme) et a déjà collaboré avec Davies pour comparer les protéines antigel chez les poissons. Il n’était pas impliqué dans la nouvelle étude.

Fletcher ne pense pas que la recherche rassurera les opposants aux OGM.

Il dit qu’il est significatif que les chercheurs en soient arrivés au point où ils estiment que leurs preuves d’un transfert horizontal de gènes dans ce cas controversé sont si fortes. Il a crédité les nouvelles techniques de génétique moléculaire pour avoir rendu cela possible.

« Il y a vingt ans, vous n’auriez pas pu faire ce genre de choses. »

Luis Boto, responsable scientifique du département de biologie évolutive du Musée national des sciences naturelles de Madrid, a été suivi des preuves d’un transfert horizontal de gènes dans des organismes complexes, et a déclaré que les nouveaux outils génétiques permettront aux scientifiques d’explorer à quel point cela est courant.

« Cet article ouvre la porte à un domaine de recherche important dans la mesure où le séquençage de nouveaux génomes de poissons nous fournira des résultats intéressants », a-t-il ajouté dans un e-mail, « et nous permettra de mieux comprendre l’importance possible du transfert horizontal de gènes dans le évolution des animaux. « 

Il a déclaré que les preuves d’un transfert horizontal de gènes chez les vertébrés restent rares, mais que le nouvel article offre un « soutien important » pour le cas où cela se produirait entre le hareng et l’éperlan.

Gane Ka-Shu Wong, professeur de biologie à l’Université de l’Alberta, est également convaincu par l’étude et pense que la façon dont le gène est passé du hareng à l’éperlan est plausible.

Wong a publié une étude il y a quelques années montrant les plantes, qui étaient confinées aux océans, ont volé un gène aux bactéries du sol pour acquérir la capacité de coloniser la terre.

Bien que de tels événements de transfert horizontal de gènes semblent rares dans les organismes complexes, s’ils aident l’organisme à survivre, ils pourraient faire une grande différence, a-t-il déclaré.

« Je suppose que beaucoup d’événements évolutifs importants peuvent avoir été provoqués par une sorte de transfert horizontal de gènes. »

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