France
June 20, 2014

Les séquences répétées d’ADN représentent une fraction importante du patrimoine génétique des plantes et sont les acteurs majeurs des modifications de leur structure. Des chercheurs de l’Inra Versailles-Grignon ont décrypté certaines caractéristiques de l’évolution des séquences répétées d’ADN chez Arabidopsis thaliana : leur distribution sur les chromosomes comme leur composition sont hétérogènes et leur divergence au fil du temps s’est accompagnée de l’évolution conjointe des mécanismes de leur régulation épigénétique. Une première dans l’univers des plantes qui est publiée le 23 juin 2014 dans la revue Nature Communications.

Le génome des êtres vivants contient en proportion plus ou moins grande des séquences d’ADN dites répétées car présentes en un grand nombre de copies. Ces séquences répétées correspondent à des éléments mobiles susceptibles de provoquer des mutations s’ils ne sont pas réprimés par leur hôte. On connait actuellement très peu de chose sur l’évolution de ces séquences et de leur régulation.

Un génome en voie de réduction comme objet d’étude

Arabidopsis thaliana est une plante de la famille des Brassicacées dont le génome, séquencé à l’aube du XXIe siècle, contient environ 25 % de séquences répétées. Bien moins que ses ancêtres et autres cousines, ce qui en fait un génome en voie de réduction.
Dans la perspective d’explorer l’évolution des séquences répétées chez les plantes, les chercheurs de l’Inra Versailles-Grignon ont trouvé là un objet d‘étude de premier ordre - un génome contenant peu de séquences jeunes et susceptible d’avoir conservé des séquences plus anciennes – pour lequel ils ont pu mesurer l’âge des séquences répétées grâce à une méthode de datation empruntée au système animal. Des résultats validés ensuite en comparant la divergence des séquences répétées d’A. thaliana à celles de ses proches cousines, A. lyrata, Capsella rubella, ou encore Brassica rapa parmi d’autres.

Une distribution hétérogène et une composition différente des séquences répétées le long des chromosomes

Les scientifiques ont ainsi mis en évidence que le génome d’A. thaliana comporte majoritairement des séquences répétées anciennes, dérivant de fragments probablement insérés chez un des ancêtres il y a 15 à 20 millions d’années et dont la distribution le long des chromosomes est par ailleurs très hétérogène. Les séquences jeunes sont essentiellement situées à distance des gènes, tandis que les séquences anciennes sont plus fréquentes dans les régions riches en gènes.

Chez les plantes, la protection du génome contre l’invasion par les séquences répétées fait intervenir des molécules (petits ARN) capables de diriger la modification de l’ADN (méthylation de certaines cytosines). Ces modifications structurelles sont dites épigénétiques car elles sont transmises à la descendance alors qu’elles n’affectent pas la séquence d’ADN.
Les scientifiques ont constaté chez A. thaliana que la quasi-totalité des séquences répétées jeunes sont la cible de ces petits ARN, tout comme la moitié des séquences répétées anciennes même si elles sont présentes dans le génome depuis plusieurs millions d’années.
Jeunes ou anciennes, ces séquences répétées visées par des petits ARN sont significativement méthylées. Ceci suggère que la méthylation des séquences répétées par l’intermédiaire de petits ARN peut se perpétuer durant des dizaines de millions d’années et que la divergence au cours du temps des séquences répétées se reflète au sein de la population des petits ARN.

Les cytosines méthylées ont une relative propension à perdre un groupement amine de façon spontanée (déamination) qui change cette base de l’ADN en une autre : la thymine. Les chercheurs ont observé que les séquences répétées anciennes présentent moins de cytosines et plus de thymines que les séquences jeunes, un résultat de la déamination des cytosines méthylées. De ce fait, il leur serait possible de se soustraire à la méthylation par l’intermédiaire des petits ARN et de se maintenir dans le génome d’A. thaliana. A une distribution hétérogène des séquences répétées jeunes et anciennes le long des chromosomes, se superpose de fait une composition différente de la séquence génomique à savoir que plus on est proche des gènes plus cet espace est riche en thymine.

Fort du constat que les gènes à proximité des séquences répétées sont faiblement exprimés, les chercheurs ont enfin montré que, globalement, les séquences répétées présentes dans le génome d’A. thaliana ont peu d’impact sur le niveau de leur expression, suggérant que la pression de sélection qui s’exerce à l’encontre des séquences répétées d’ADN est inversement proportionnelle au niveau d’expression des gènes avoisinants.

Un héritage ancien pour des retombées à long terme

L’ensemble de ces travaux, à la faveur d’une méthodologie innovante, et les résultats auxquels ils ont permis d’aboutir, constituent une première dans le domaine de la biologie des plantes et plus particulièrement d’A. thaliana. L’exploration scientifique de différentes classes de séquences répétées en fonction de leur âge contribue à mieux comprendre l’évolution des génomes végétaux et les modifications épigénétiques dont ils sont le siège tandis qu’elle ouvre la porte à de nouvelles perspectives dans le domaine de l’étude de la composition des génomes en lien avec l’évolution des épigénomes.
Au final, une évolution des séquences répétées qui a des conséquences à long, très long terme sur la biologie et l’évolution du génome d’A. thaliana.

Référence

Florian Maumus and Hadi Quesneville
Ancestral repeats have shaped epigenome and genome composition for millions of years in Arabidopsis thaliana
Nature Communications, 23 juin 2014

Website: https://www.inrae.fr

Published: June 23, 2014