Introgression génomique entre espèces

Lorsque des groupes d’individus sont séparés les uns des autres, ils accumulent progressivement dans leur génome des mutations propres à chaque groupe, dues à des erreurs lors de la réplication de l’ADN. Plus tard, si ces individus issus de groupes distincts se rencontrent, ils peuvent néanmoins se reproduire sexuellement et donner naissance à un hybride, constitué pour moitié de chaque ADN parental. Il arrive que ces hybrides se reproduisent avec des individus provenant d’un des deux groupes originels, engendrant ainsi des descendants dont le génome est enrichi seulement avec l’un des ADN parentaux. Après plusieurs générations de rétrocroisements de ce type, seuls de rares fragments d’ADN issus de l’autre parent originel persistent ; ces fragments sont appelés introgressions. Par exemple, 2% du génome humain d’origine non-africaine contient de l’ADN de Néandertal résultant de ce processus d’introgression. Les introgressions d’ADN peuvent aussi bien avoir des effets positifs que négatifs, et évoluer au cours du temps. Il a d’ailleurs récemment été constaté que certains gènes directement hérités de Néandertal augmentent significativement la sensibilité au COVID-19, menaçant la santé humaine.

Mystérieusement, on observe souvent des introgressions chez des espèces génétiquement éloignées qui ne peuvent se reproduire sexuellement l’une avec l’autre. Ce phénomène est longtemps resté une énigme. La levure du boulanger Saccharomyces cerevisiae est reproductivement isolée de son espère sœur Saccharomyces paradoxus. Malgré le fait que ces deux espèces de levure peuvent s’accoupler et former des hybrides S. cerevisiae/S. paradoxus, leur forte divergence génétique (~12%) rend leur descendance majoritairement non-viable, limitant ainsi l’échange de matériel génétique. Cependant, des fragments d’ADN de S. paradoxus ont été retrouvés dans le génome de S. cerevisiae, selon un processus vraisemblablement similaire aux introgressions de Néandertal observées chez l’humain. Comment cela est-il possible alors que les hybrides sont stériles ?

Les chercheurs ont isolé une souche hybride ancestrale de levure dont la structure génomique  (mis à part l'accumulation naturelle de mutations) n’a pas évolué depuis des centaines de milliers de générations, constituant un véritable fossile vivant. Curieusement, les chromosomes homologues de cette levure "fossile" sont parfaitement identiques ("homozygotes") en plusieurs endroits où l’ADN de S. paradoxus a complètement remplacé celui de S. cerevisiae. De plus, les scientifiques ont démontré que cette levure fossile est l’ancêtre direct d’une autre souche moderne de S. cerevisiae dénommée Alpechin, trouvée dans les eaux usées de la production d’huile d’olive et pourvue d’introgressions de S. paradoxus. Suite à ce constat,  ils ont comparé les emplacements où l’ADN de S. paradoxus a complètement remplacé celui de S. cerevisiae chez la levure fossile, avec les zones d’introgressions chez Alpechin, et  ont constaté qu’elles coïncidaient. En fait, les introgressions de S. paradoxus dans la levure Alpechin résultent directement des fragments maintenus dans la souche ancestrale. Des expériences plus approfondies ont permis d’éclaircir les faits : les blocs d’ADN de S. paradoxus conservés dans les chromosomes homologues de la levure fossile lui permettraient de recombiner plus efficacement son génome lors de la formation de gamètes pour la reproduction sexuée. Les descendants de la levure fossile auraient alors été rétro-croisés successivement avec S. cerevisiae donnant ainsi naissance à des descendants comportant de longs fragments d’introgression d’ADN de S. paradoxus. A terme, ce scénario aboutit à la formation de génomes très semblables à celui des levures Alpechin.

Cette découverte a ainsi permis d’expliquer comment des espèces reproductivement isolées peuvent échanger du matériel génétique : la formation de blocs d’ADN identiques sur les deux chromosomes homologues permet aux génomes hybrides de se recombiner. Comment ces blocs se forment-ils ? Cela reste encore à élucider.

Pour en savoir plus:

A yeast living ancestor reveals the origin of genomic introgressions.
D'Angiolo M, De Chiara M, Yue JX, Irizar A, Stenberg S, Persson K, Llored A, Barré B, Schacherer J, Marangoni R, Gilson E, Warringer J, Liti G.
Nature. 2020 Nov 11. doi: 10.1038/s41586-020-2889-1.