La varation cryptique permet une adaptation rapide par sélection naturelle

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Il y a quelques semaines, on a parlé de la variation pré-existante dans une population, qui lui permet notamment de s’adapter en cas de changement d’environnement ou autre défi sélectif. Dans un tutorial bloggué avec nos étudiants, nous avons discuté récemment et en anglais un article très intéressant sur ce sujet, que je vais donc essayer de présenter ici et en français.

La variabilité cryptique est un concept suffisamment obscur pour ne pas avoir de page Wikipedia, mais qui pourtant est potentiellement très important en biologie évolutive, et partant pour comprendre le vivant en général (vu que tout ce qui existe en biologie provient de l’évolution). On nomme ainsi la variation génétique qui existe dans certaines conditions, sans avoir aucun effet visible, mais dans d’autres conditions a des effets visibles. Par visible ici, j’entends qui a un effet sélectif, même si c’est cool pour nous si c’est effectivement visible par les chercheurs, genre nombre de poils sur les mouches. Dans la première condition il peut donc s’accumuler de la variabilité qui n’est ni bonne ni mauvaise (on dit neutre) pour l’organisme. Lorsque la deuxième condition apparaît (cela peut être un changement environnemental, une mutation dans un autre gène, etc.), cette variabilité arrête d’être neutre, et certains variants peuvent être avantageux.

ResearchBlogging.org

La question posée dans l’article de Hayden et al. (référence à la fin du billet) est de vérifier l’hypothèse selon laquelle davantage de variabilité cryptique permettrait une adaptation plus rapide lorsque les conditions changent. En d’autres termes, de la variabilité pré-existante neutre deviendrait adaptative. L’équipe de Andreas Wagner, qui fait plein de trucs cool de ce genre à Zürich, a utilisé un système expérimental élégant d’évolution expérimentale pour étudier cette question. Ils sont partis d’un ribozyme, ce qui est un système simple et efficace utilisé dans pas mal d’études d’évolution expérimentale. En effet il s’agit d’une molécule d’ARN qui à la fois contient l’information génétique et effectue la fonction, à savoir catalyser la coupure précise d’une molécule d’ARN. On va pas rentrer dans les détails biochimiques ici, ça nous détournerais trop de la question. L’important c’est qu’on peut muter un ribozyme et tout-de-suite voir sa fonction (qu’est-ce qu’il coupe ?) dans un tube à essai. De plus c’est une fonction qui se prête bien à l’analyse quantitative, à savoir qu’on peut mesurer avec quelle efficacité il coupe les ARN qu’on lui donne à manger.

Le plan d’expérience de cette étude est le suivant :

  1. On laisse de la variation s’accumuler. Pour cela, on utilise une variante de la PCR qui fait de nombreuses erreurs lors de la copie. A chaque génération, on teste pour vérifier que l’activité de départ de coupure de l’ARN est toujours présente. Donc la variabilité qui s’accumule est bien neutre, elle n’affecte pas la fonction qui est sous sélection. Ceci a été fait en double dans deux conditions de sélection légèrement différentes, A et B (quels poètes ces scientifiques).
  2. On change et de PCR et de critère de sélection. On utilise une PCR « normale », qui n’introduit que peu de nouvelles mutations. Et on sélectionne les variants sur leur capacité à couper un ARN modifié. Cette deuxième étape est effectuée sur les ribozymes issus de la première étape (conditions A et B), et sur des ribozymes d’origine, qui n’ont pas eu de cycles d’accumulation de mutation.

Il faut bien préciser que la variabilité qui s’est accumulée lors de la première partie de l’expérience était indépendante des conditions de la deuxième partie. En aucune manière elle ne la préparait. Il faut aussi préciser que pour la sélection l’on n’étudie jamais une molécule de ribozyme seule, mais un mélange. C’est donc ce mélange qui doit avoir l’activité souhaitée. Au total, ce plan expérimental permet donc de comparer l’adaptation à un nouvel environnement (2ème partie de l’expérience) entre des populations avec beaucoup de variation cryptique (celles qui ont subi la 1ère partie) et des populations avec peu de variation cryptique (le ribozyme d’origine).

Je ne peux malheureusement pas vous montrer les images ici, parce que Nature n’est pas en libre accès, mais les populations avec variation cryptique s’adaptent beaucoup mieux que celles à faible variation au nouveau substrat ARN. Au départ, les trois populations (conditions A et B, sans manipulation initiale) coupent environ 15% de l’ARN modifié. Au bout de 8 générations, le ribozyme original en coupe 30%, alors que A et B en coupent 45%. Par séquençage des ribozymes de chaque population à différentes générations, les auteurs montrent qu’il y a bien eu une sélection dans les populations A et B de variants qui existaient déjà (cryptiques) à la fin de la 1ère partie de l’expérience.

Un autre résultat est très intéressant : dans la population B, on a juste sélection d’un ribozyme qui coupe très bien l’ARN modifié. Mais dans la population A, on a également sélection d’un variant du ribozyme qui ne coupe pas l’ARN, mais qui permet une coupure très efficace de l’ARN modifié en présence d’un ribozyme actif. Donc l’expérience a fait émerger un nouveau dimère de ribozymes, plus efficace dans les nouvelles conditions qu’aucun ribozyme seul, alors que ça n’était pas l’objectif.

Ce dernier résultat montre que l’on peut très facilement obtenir par mutation + sélection des réponses biologiques complexes, et pas forcément intuitives. Comme un dimère entre une molécule active et une molécule inactive, qui ensemble ont une activité élevée.

Donc en conclusion, oui la variation cryptique permet une adaptation plus rapide à un changement de sélection naturelle.

Au fait, entre ça et les renards de Sibérie, le prochain qui dit qu’on ne peut pas faire d’expériences en biologie évolutive doit peigner le Tyranosaure.

Hayden, E., Ferrada, E., & Wagner, A. (2011). Cryptic genetic variation promotes rapid evolutionary adaptation in an RNA enzyme Nature, 474 (7349), 92-95 DOI: 10.1038/nature10083

(Je ne sais pas pourquoi le résumé du billet sur la page principale de mon blog montre une image différente, à part que j’avais utilisé cette image dans un brouillon précédent. Etrangeté de WordPress.)

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