L’évolution et la sélection naturelle ont lieu au niveau de l’ADN, car les gènes mutent et les traits génétiques persistent ou se perdent avec le temps. Mais maintenant, les biologistes pensent que l’évolution peut avoir lieu à une toute autre échelle — transmise non pas par des gènes, mais par des molécules liées à leur surface et responsables de leur méthylation. Ce mécanisme permettrait la conservation d’un épigénome par des processus enzymatiques à travers plusieurs dizaines de millions d’années, selon un processus analogue à celui de l’évolution darwinienne du génome.
Ces molécules, connues sous le nom de « groupes méthyle », modifient la structure de l’ADN et peuvent activer et désactiver les gènes. Les altérations sont connues sous le nom de « modifications épigénétiques ». De nombreux organismes, y compris les humains, ont de l’ADN parsemé de groupes méthyle, mais des créatures comme les drosophiles et les vers ronds ont perdu les gènes nécessaires pour le faire au cours de la période d’évolution.
Un autre organisme, la levure Cryptococcus neoformans, a également perdu des gènes clés pour la méthylation au cours du Crétacé, il y a environ 50 à 150 millions d’années. Mais remarquablement, dans sa forme actuelle, le champignon a toujours des groupes méthyle dans son génome. Maintenant, les scientifiques théorisent que C. neoformans a pu conserver des modifications épigénétiques pendant des dizaines de millions d’années, grâce à un nouveau mode d’évolution. L’étude a été publiée dans la revue Cell.
Des groupes méthyles présents chez C. neoformans
Les auteurs étudient généralement C. neoformans pour mieux comprendre comment la levure provoque une méningite fongique chez l’Homme. Le champignon a tendance à infecter les personnes dont le système immunitaire est faible et provoque environ 20% de tous les décès liés au sida.
Hiten Madhani, professeur de biochimie et biophysique à l’Université de Californie, et ses collègues, passent une partie de leurs journées à fouiller le code génétique de C. neoformans, à la recherche de gènes critiques qui aident la levure à envahir les cellules humaines.
Mais l’équipe a été surprise lorsque des rapports ont émergé, suggérant que le matériel génétique était orné de groupes méthyle. Chez les vertébrés et les plantes, les cellules ajoutent des groupes méthyle à l’ADN à l’aide de deux enzymes. La première, appelée de novo méthyltransférase, accole des groupes méthyle sur des gènes non ornés.
L’enzyme ajoute à chaque moitié du brin d’ADN en forme d’hélice le même motif de groupes méthyle, créant une conception symétrique. Pendant la division cellulaire, la double hélice se déroule et construit deux nouveaux brins d’ADN à partir des moitiés correspondantes. À ce stade, une enzyme appelée « méthyltransférase d’entretien » intervient pour copier tous les groupes méthyle du brin d’origine sur la moitié nouvellement construite.
Perte de la de novo méthyltransférase et compensation par la méthyltransférase de maintenance
Madhani et ses collègues ont examiné les arbres évolutifs existants pour retracer l’histoire de C. neoformans à travers le temps et ont constaté que, pendant la période du Crétacé, l’ancêtre de la levure avait les deux enzymes nécessaires à la méthylation de l’ADN. Mais quelque part le long de la ligne, C. neoformans a perdu le gène nécessaire à la fabrication des de novo méthyltransférases.
Sans l’enzyme, l’organisme ne pourrait plus ajouter de nouveaux groupes méthyle à son ADN — il ne pourrait copier les groupes méthyle existants qu’en utilisant son enzyme de maintenance. En théorie, même en travaillant seule, l’enzyme de maintenance pourrait garder l’ADN recouvert de groupes méthyle indéfiniment — si elle pouvait produire une copie parfaite à chaque fois.
La sélection naturelle à l’origine de la conservation d’un mécanisme de méthylation
En réalité, l’équipe a découvert que l’enzyme fait des erreurs et perd la trace des groupes méthyle à chaque fois que la cellule se divise. Lorsqu’elles sont cultivées dans une boîte de Pétri, les cellules de C. neoformans gagnent occasionnellement de nouveaux groupes méthyle par hasard, de la même manière que des mutations aléatoires surviennent dans l’ADN. Cependant, les cellules ont perdu des groupes méthyle environ 20 fois plus vite qu’elles ne pouvaient en gagner de nouveaux.
Dans environ 7500 générations, chaque dernier groupe méthyle disparaîtrait, ne laissant rien à copier par l’enzyme de maintenance, a estimé l’équipe. Compte tenu de la vitesse à laquelle C. neoformans se multiplie, la levure aurait dû perdre tous ses groupes méthyle en 130 ans environ. Au lieu de cela, elle a conservé les modifications épigénétiques pendant des dizaines de millions d’années.
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« Parce que le taux de perte est plus élevé que le taux de gain, le système perdrait lentement la méthylation au fil du temps s’il n’y avait pas de mécanisme pour le maintenir. Ce mécanisme est la sélection naturelle » explique Madhani. En d’autres termes, même si C. neoformans gagnait de nouveaux groupes méthyle beaucoup plus lentement qu’elle ne les perdait, la méthylation augmentait considérablement l’endurance de l’organisme, ce qui signifiait qu’elle pouvait surpasser les individus avec moins de méthylation.
Utiliser la méthylation pour contrôler les transposons
Les individus endurants ont prévalu sur ceux avec moins de groupes méthyle, et ainsi, les niveaux de méthylation sont restés plus élevés sur des millions d’années. Mais quel avantage évolutif ces groupes méthyle pourraient-ils offrir à C. neoformans ? Eh bien, ils pourraient protéger le génome de la levure contre des dommages potentiellement mortels.
Les transposons, également connus sous le nom de « gènes sauteurs », sautent dans le génome à volonté et s’insèrent souvent dans des endroits très peu pratiques. Par exemple, un transposon pourrait sauter au centre d’un gène nécessaire à la survie cellulaire ; cette cellule pourrait mal fonctionner ou mourir. Heureusement, les groupes méthyle peuvent s’accrocher aux transposons et les verrouiller en place. Il se peut que C. neoformans maintienne un certain niveau de méthylation de l’ADN pour contrôler les transposons.
Mieux comprendre la méthylation chez C. neoformans
De nombreux mystères entourent encore la méthylation de l’ADN chez C. neoformans. Outre la copie des groupes méthyle entre les brins d’ADN, la méthyltransférase de maintenance semble être importante en ce qui concerne la façon dont la levure provoque des infections chez l’Homme, selon une étude de 2008 menée par Madhani. Sans l’enzyme intacte, l’organisme ne peut pas s’attaquer aux cellules aussi efficacement.
L’enzyme nécessite également de grandes quantités d’énergie chimique pour fonctionner et ne copie que les groupes méthyle sur la moitié vierge des brins d’ADN répliqués. En comparaison, l’enzyme équivalente dans d’autres organismes ne nécessite pas d’énergie supplémentaire pour fonctionner et interagit parfois avec l’ADN nu, dépourvu de tout groupe méthyle. Des recherches plus approfondies révéleront exactement comment fonctionne la méthylation chez C. neoformans et si cette nouvelle forme d’évolution apparaît dans d’autres organismes.
