Comment s’est-on adapté à des climats différents : grâce à des mutations mitochondriales.

Puisque le climat va changer il est intéressant de comprendre comment nos ancêtres lointains se sont adapté à de nouvelles conditions climatiques au cours de leurs migrations et des alternances de périodes glaciaires.

Chaque cellule de notre corps a besoin d’énergie et pour produire de l’énergie à partir du glucose par exemple il faut un système hautement spécialisé qui ne peut pas se trouver n’importe où dans la cellule. C’est la raison pour laquelle chaque cellule contient plusieurs petites centrales de production d’énergie, les mitochondries. De nombreuses évidences sont en faveur d’une origine bactérienne et l’une d’elle est la présence d’ADN, 6 à 8 copies en moyenne dans chaque mitochondrie, qui code pour 13 protéines essentielles dans le processus de fourniture d’énergie. Plus surprenant, le code génétique utilisé par la mitochondrie est légèrement différent de celui du noyau cellulaire. La mitochondrie produit de l’énergie sous forme d’ATP (adénosine triphosphate) et ce qu’on appelle des équivalents réducteurs nécessaires pour une multitude d’étapes métaboliques sous forme de NAD+ ou NADP+ (nicotinamide adénine dinucléotide et sa forme phosphatée). Ces deux processus se situent le long de ce qui est appelé la chaine respiratoire où se trouve d’un côté l’oxygène et de l’autre le carburant, en général du glucose. Le long de cette chaine circulent des électrons dans un sens et des ions hydrogène, protons ou H+. C’est très schématique mais ce qui a intrigué les biologistes depuis de nombreuses années est que cette « chaine respiratoire », ce système quasiment électrique, nécessite des dizaines de protéines qui sont codées par l’ADN du noyau. Il fallait donc que la mitochondrie ait inventé un moyen d’importer ces protéines synthétisées non pas dans la mitochondrie mais dans la cellule.

Ce système de transport est extrêmement complexe et il a été très récemment élucidé (voir le premier lien) et il ressemble à ça :

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Plusieurs centaines d’activités enzymatiques sont nécessaires à la mitochondrie pour « brûler » du glucose et fournir de l’énergie mais la mitochondrie participe à de nombreux aspects du métabolisme cellulaire et pratiquement tout est « importé » de la cellule à travers ces sortes de pores situés dans les membranes mitochondriales. Les 13 protéines codées par l’ADN mitochondrial sont produites à l’intérieur de la mitochondrie et il faut donc que la grosse machine de synthèse des protéines soit également importée de la cellule.

Mais revenons à l’ADN mitochondrial (voir le lien) schématisé ainsi :

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Il n’est transmis que par la mère via les ovocytes qui contiennent plusieurs centaines de milliers de copies de cet ADN de mitochondries. Le spermatozoïde perd en effet au cours de la fertilisation de l’oeuf son unique et géante mitochondrie qui n’a servi qu’à produire de l’énergie pour actionner la flagelle pour sa migration. Cette transmission uniquement par la mère n’est pas unique à l’homme car elle se retrouve aussi chez les plantes et également les moisissures. Comme tout ADN celui de la mitochondrie est soumis à des mutations. Fort heureusement une mutation létale sur un des gènes codant pour les protéines essentielles à la production d’énergie pour la cellule ne peut pas être transmise à la descendance car l’ovocyte n’est pas viable. Dans la figure ci-dessus il est figuré une zone en bleu dite de contrôle ou « hypervariable » et c’est l’étude de l’évolution des mutations dans cette zone ainsi que celle des SNPs (Single Nucleotide polymorphisme) au sein des gènes codants qui permet d’établir une généalogie génétique remontant dans le temps et uniquement pour la mère. Si on veut faire le même type de travail pour le père il faut étudier les variations du chromosome Y ce qui est beaucoup plus complexe.

Là où les choses deviennent intéressantes après cette longue entrée en matière c’est le résultat qu’on a obtenu concernant l’adaptabilité de l’homme à des environnement différents. Les événements de SNPs font apparaître ce qu’on appelle des haplotypes sur le seul critère du polymorphisme induit par un SNP et les variants de chaque haplotype sont regroupés en haplogroupes. Comme l’ovocyte est capable d’effectuer une sélection, il est apparu au cours de l’évolution humaine des haplotypes mieux adaptés aux conditions environnementales en particulier climatiques. Il suffit en effet d’une infime variation dans la structure d’une ou plusieurs de ces 13 protéines codées par l’ADN mitochondrial pour que la mitochondrie produise de l’énergie sans trop produire de chaleur – un autre rôle majeur de la mitochondrie qu’il faut bien garder en mémoire – ou au contraire produire moins d’énergie au dépens d’une production de chaleur plus importante.

L’illustration ci-dessous montre la répartition des haplotypes mitochondriaux dans le monde (adaptée de Mitomap) :

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Par exemple les haplotypes Z, H ou encore J conduisent à une production de chaleur importante alors que le type M, pour ne prendre que cet exemple conduit à un haplotype pour lequel les mitochondries produisent peu de chaleur. On dit dans ce cas que le couplage entre production d’énergie et de chaleur est plus étroit, en d’autres termes le rendement est meilleur. On remarque aussi dans cette illustration qu’on a pu dater l’apparition des haplogroupes au cours des migration humaines depuis l’Afrique. Cette datation basée sur la dérive génétique au cours du temps est moins précise si on remonte plus loin dans le temps que celle obtenue avec l’ADN du noyau (voir le lien de ce blog) mais elle est très bien représentative de la chronologie des migrations depuis la dernière vague « out of Africa ».

On peut dire que l’adaptabilité de l’homme à son environnement provient de la sélection qui s’effectue dans l’ovaire avant même la fertilisation. Il s’agit d’un puissant moyen d’adaptation de l’homme. Il faut noter en conclusion que la transmission des SNPs mitochondriaux n’obéissent pas aux lois de Mandel en ce sens que seule la mère transmet ces caractères. Pour une nomenclature des haplogroupes voir le site mitomap. Je tiens à la disposition de mes lecteurs curieux les articles parus dans les journaux Cell et Science.

Note d’actualité : Quand Nadine Morano parle de race blanche, elle fait une grossière erreur : il n’y a pas de race blanche, il y a un super haplogroupe (pas nécessairement d’origine mitochondriale) qui fait que les gènes contrôlant la pigmentation de la peau sont peu exprimés ou peu fonctionnels. La notion de race humaine est un abus de langage idéologique et politique qui n’a rien à voir avec la science.

Liens :

Molecular architecture of the active mitochondrial protein gate

Takuya Shiota et al. Science 349, 1544 (2015); DOI: 10.1126/science.aac6428

www.mitomap.org/MITOMAP

http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2015.08.067

https://jacqueshenry.wordpress.com/2015/09/18/levolution-humaine-un-long-parcours-parfois-seme-dembuches/

Une autre horloge biologique : le virus de l’herpès

journal.pone.0076267.g004

Le virus de l’herpès par lequel nous sommes tous infectés parfois depuis notre naissance est une autre horloge biologique. J’ai exposé il y a deux jours l’horloge des télomères et des méthylations de l’ADN, le virus de l’herpès constitue une autre horloge qui permet de dater la divergence des souches du virus les unes par rapport aux autres. Comme d’habitude, il faut tenter d’expliquer simplement un résultat scientifique complexe. Le virus de l’herpès constitue une famille divisée en deux groupes principaux l’HSV-1, celui des boutons de fièvre et des kératites oculaires et l’HSV-2, l’herpès qui sévit au niveau des organes génitaux. Ce virus a tendance à devenir silencieux dans les terminaisons nerveuses puis réapparaître pour des raisons inconnues et provoquer des démangeaisons ou des boutons de fièvre autour de la bouche et parfois à l’intérieur de la bouche. Dans de très rares cas ce virus peut provoquer une encéphalite. L’ADN du virus de type 1 est constitué de 152000 bases et code pour une quarantaine de protéines, certaines étant des protéines de structure et d’autres des enzymes spécifiques du virus. Il y a de par le monde des centaines de souches différentes et le séquençage ultra-rapide et automatisé de l’ADN a permis de construire un arbre « généalogique » du virus de type 1, en biologie on parle d’arbre phylogénétique. Outre le fait que ce type d’étude aide à comprendre pourquoi certaines souches sont plus virulentes que d’autres, on s’est aperçu qu’en réalité l’ADN de ce virus était remarquablement stable et présentait des substitutions de bases (de l’ADN) avec une fréquence très faible, précisément de 0,138 chances sur un million par site de substitution et par an. Si on considère donc la taille de l’ADN (152000 bases) on peut en déduire très précisément quand une souche a divergé d’une autre souche. On parle alors de « distance » génétique entre les souches. Trente et une différentes séquences d’ADN du virus de type 1 disponibles au public sur le site du National Institute of Health (NCBI) ont été analysée afin de déterminer cette distance génétique entre elles ( http://www.plosone.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pone.0076267#pone.0076267.s002 ) et connaissant la localisation géographique des prélèvements des virus, en Grande-Bretagne, aux USA, au Kenya, en Chine, en Corée du Sud ou encore au Japon, les biologistes qui se sont livré à cette intéressante investigation ont pu en quelque sorte remonter le temps. En premier lieu les types 1 et 2 ont divergé il y a environ 2 millions d’années, 2184000 ans plus précisément. Les diverses souches de virus de type 1 ont pu être regroupées en 7 familles phylogénétiques (clades) différentes, l’une comprenant l’Europe et l’Amérique du Nord, une autre regroupant des souches isolées en Asie du Sud-Est et une souche d’Amérique du Nord, et quatre clades de souches isolées au Kenya. Il en ressort que les souches de type 1 ont commencé à se répandre il y a précisément 50300 ans et les souches eurasiennes il y a 32800 ans et une souche nord-américaine a divergé des souches d’Asie du Sud-Est il y a 15760 ans. Il est alors très facile de rapprocher ces données strictement phylogénétiques issues d’une analyse fine des mutations ponctuelles de l’ADN du virus d’autres évènements parfaitement datés par des fossiles avec des techniques de datation complètement différentes essentiellement basées sur des analyses isotopiques. Deux millions d’années c’est l’apparition du genre Homo, soixante mille ans c’est l’homme « Out of Africa », pas le film mais le moment approximatif où l’homme a commencé à quitter l’Afrique pour conquérir la planète entière, entre 20 et 40 milliers d’années avant notre ère, l’homme apparaît en Asie du Sud-Est et entre 12 et 20000 an avant notre ère l’arrivée de l’homme en Amérique du Nord après avoir traversé probablement à pied le détroit de Behring ou le Pacifique Nord sur un radeau depuis l’Asie. Troublante exactitude ! Mais aussi incroyable confirmation de l’hypothèse maintenant admise de l’origine de l’homme en Afrique de l’Est et sa migration sur l’ensemble de la planète à partir de l’analyse d’un virus qu’on transporte avec nous depuis la nuit des temps, depuis que nous avons commencé à nous différencier du singe à partir de notre ancêtre commun. A n’en pas douter les analyses fines d’ADN réservent encore des surprises. Le séquençage haute rapidité de l’ADN et des ARN messagers constitue à mon humble avis la plus grande avancée de la biologie moderne avec naturellement l’aide de puissants ordinateurs pour interpréter les résultats qui sont tous dans le domaine public tant pour ce type d’étude que pour élucider les causes de maladies comme le cancer ou encore la disparition des abeilles …