TP Transferts horizontaux

TP 6 Retrovirus exogènes devenus gènes de l’organisme : exemple des gènes des syncytines

Introduction

Les transferts de gènes horizontaux : article du CNRS sur l’origine du placenta

Les résultats présentés dans cet article démontrent que l’infection d’espèces ancestrales par des rétrovirus infectieux et la capture de leur gène d’enveloppe sont des phénomènes aléatoires qui ont contribué à l’établissement de fonctions essentielles pour les mammifères. Une hypothèse radicale peut alors être faite, selon laquelle l’apparition des mammifères placentaires il y a près de 100 millions d’années pourrait être liée à la « capture fondatrice » d’un rétrovirus –dont on sait qu’ils sont apparus bien avant les mammifères-qui aurait permis de passer d’un mode de développement embryonnaire « externe » – chez les animaux qui pondent des œufs- à un mode« interne » dans lequel l’embryon est alimenté et protégé du système immunitaire de la mère par son placenta.

Au cours du développement, chez les mammifères, le placenta est le premier organe à se former à partir des cellules du fœtus. Il permet un ancrage du fœtus dans l’utérus maternel et des échanges régulés (nutriments, gaz respiratoires, déchets) avec la mère. Il sécrète des hormones, fait barrière aux infections et assure, lourde tâche, le non rejet du fœtus qui représente une semi-greffe, puisque son génome est hérité pour moitié du père et pour moitié de la mère.

L’embryon humain juste avant sa nidation dans la paroi utérine est constitué par un massif cellulaire, à partir duquel se formera l’organisme, et d’une couche cellulaire externe, le trophoblaste. L’embryon s’implante dans la paroi grâce à son trophoblaste qui prolifère. Le trophoblaste se différencie en deux couches :

  • le syncytiotrophoblaste (3)
  • le cytotrophoblaste (4).

Les membranes des cellules du trophoblaste fusionnent, ce qui en fait une couche multinucléée, le syncytiotrophoblaste, à l’origine du placenta par la suite. Dans ce trophoblaste, les chercheurs ont identifié deux protéines, les Syncytines 1 et 2 dont ils pensent qu’elles sont impliquées dans la fusion cellulaire conduisant au syncytiotrophoblaste. Ces deux protéines sont issues de deux gènes ERWE1, situé sur le chromosome 7 et du gène ERV-FRD1 situé sur le chromosome 6. Ces deux gènes auraient des similitudes avec les gènes Env de rétrovirus. Voir les autres étapes du développement du placenta.

Données scientifiques : comment passe-t-on d’un virus exogène à un virus endogène ?

A l’origine on doit imaginer une infection de cellules  germinales par un  rétrovirus : ils incorporent leur génome dans l’ADN de la cellule parasitée (Provirus). Si la cellule hôte est une cellule sexuelle (spermatozoïde ou œuf), les séquences rétrovirales nouvellement acquises seront transmises à toutes les cellules de l’organisme dérivant de la cellule œuf initiale. Le provirus intégré fait alors partie du génome de l’organisme : il est devenu endogène.

L’innovation qu’est l’acquisition de séquences rétrovirales, notamment celle du gène Env, par un primate ancestral, résulte d’un transfert horizontal suite au parasitisme de cellules germinales par un rétrovirus exogène ancestral. Ensuite, ces séquences ont été transmises verticalement de génération en génération chez l’espèce ancestrale de primate puis dans toutes les espèces qui en dérivent.

C’est un des exemples les plus remarquables du phénomène d’exaptation, un terme que l’on doit aux biologistes Stephen J. Gould et à Elizabeth Vbra. Il désigne l’évolution progressive, par sélection naturelle, d’un caractère revêtant initialement une certaine fonction vers un tout nouveau rôle. Leur maintien chez l’hôte suggère que leur « capture » confère  un avantage sélectif. C’est effectivement le cas des séquences Env. Chez les rétrovirus, les gènes env codent  pour la protéine de l’enveloppe virale Env qui permet au virus de fusionner sa membrane à celle de la cellule infectée pour y pénétrer (propriété fusogène) et de déjouer le système immunitaire de l’hôte infecté. Chez les mammifères, les gènes env capturés ont été peu à peu « domestiqués » au fil du temps pour remplir des fonctions essentielles dans le placenta en permettant la fabrication des syncytines

Figure  ci dessus : Infection rétrovirale et intégration du virus dans le génome de la cellule hôte (source)

Problématique : on cherche à montrer comment l’intégration du génome du virus chez l’Homme illustre un mécanisme de complexification des génomes. 

Activité  1 :  Mise en évidence de l’origine virale du gène syncytine 1

Matériels :

Activité  2 (bonus) :  Datation de l’infection par les rétrovirus à l’origine des Syncytines 1 et 2

Matériels :

Activité 3 :La capture de gènes viraux par l’hôte

Matériels :

Pou aller plus loin

Une synthèse sur ces mécanismes et la remise en cause totale de la phylogénie qu’ils impliquent : article de Pour la Science Novembre 2016 « Microorganismes, une évolution collective » (commencer la lecture à « des gènes sauteurs »).

Lien vers l’article complet

transfert horizontal de gènes entre deux bactéries ; SVJ Hors-Série « Évolution », janvier 2019

Savoir faire

  • Recenser des informations attestant l’existence de transferts horizontaux de gènes dans l’histoire du génome humain.
  • Extraire et organiser des informations d’un arbre phylogénétique pour identifier l’importance des transferts horizontaux.

Source des fichiers anagène

Source activité

La comparaison avec Anagène de la séquence de syncytine 1 avec celle de la protéine du rétrovirus exogène MSRV révèle une similitude de 87%. Cette forte similitude corrobore l’idée que la syncytine 1 est d’origine virale. Celle-ci est aussi confirmée par la similitude des fonctions de la syncytine 1 et de la protéine d’enveloppe du virus : toutes les deux sont des protéines fusiogènes. La protéine virale permet la fusion de l’enveloppe virale avec la membrane cellulaire, et donc l’entrée du virus dans la cellule. La Syncytine1 permet la fusion des membranes des cellules du trophoblaste qui devient une couche multinucléée, le syncytiotrophoblaste, étape indispensable à l’élaboration du placenta.

 

e modèle proposé aujourd’hui est le suivant : une séquence rétrovirale env « fondatrice » se serait intégrée il y 130-150 Ma ou plus chez un ancêtre ovipare des mammifères, permettant l’élaboration d’un placenta primitif. Par la suite, cette séquence aurait été remplacée au fur et à mesure de la radiation des mammifères par des nouveaux gènes env résultant probablement d’au moins 10 infections indépendantes par des rétrovirus différents. Ces gènes différents les uns des autres, dotés soit de propriétés fusogéniques soit de propriétés immunosuppressives ou des deux,  auraient apporté un avantage sélectif à leur hôte et contribué à la diversité des structures placentaires observées chez les mammifères. (source)

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