L'amphioxus, un génome fossile vivant ?

[caption id="attachment_132" align="aligncenter" width="300"] cliquez sur l'image[/caption]

Je vais parler d'un petit article de revue que nous avons publié récemment avec des collègues, sur l'amphioxus.

Les amphioxus sont des chordés, comme nous, mais contrairement à nous pas des vertébrés (voir ce billet de Tom Roud). Ils sont notamment intéressants à étudier parce qu'ils resemblent morphologiquement aux fossiles les plus anciens d'ancêtres de vertébrés. On pense donc que leur anatomie et son contrôle génétique ont beaucoup à nous apprendre sur l'évolution des vertébrés. On a remarqué en préparant notre revue que beaucoup d'articles qui parlent de l'amphioxus utilisent le mot "ancêtre" dans leur titre ou leur résumé, nettement plus souvent que pour d'autres organismes proches des vertébrés (hydres, ascidies). Même si tout le monde sait (ou devrait savoir) que l'amphioxus a continué à évoluer après que nos chemins se soient séparés il y a 700 à 800 millions d'années, on a souvent tendance à le considérer comme un "fossile vivant", et à le traiter dans les analyses comme représentant notre ancêtre. Y compris pour les études génomiques. Nous avons donc décider de vérifier à quel point l'évidence disponible soutient l'idée que le génome d'amphioxus représente celui de l'ancêtre des chordés (y compris des vertébrés, veaux vaches cochons couvée truites  requins et lamproies).

Problème : comme pour la plupart des espèces d'intérêt en biologie évolutive, mais pas d'intérêt en recherche biomédicale, le génome de l'amphioxus a été séquencé, assemblé et annoté avec un budget réduit. Or une séquence de génome ça n'est pas un résultat expérimental. C'est le résultat du traitement de données expérimentales qui sont des centaines de millers de petites séquences d'ADN (selon la technique de séquençage). Ces petites séquences doivent être assemblées en grandes séquences correspondant idéalement aux chromosomes. Mais quand on a n'a pas assez de sous pour faire du séquençage supplémentaire, ni assez de sous pour payer des experts à tout vérifier, on se retrouve avec plein de morceaux d'ADN dont on a la séquence, mais dont on ne sait pas sur quel chromosome ils vont. Pire, comme ça n'est pas une bestiole de laboratoire, on a pour chaque gène deux copies (ou allèles), du papa amphioxus et de la maman amphioxus. Pire de chez pire, l'amphioxus comme beaucoup de bestioles marines (j'essaye de ne pas dire invertébré, ça ne se fait pas) a une variation entre allèles très importante, similaire à celle observée entre deux espèces de mammifères voire plus. Ajoutez à cela que détecter les gènes dans l'ADN une fois séquencé et assemblé pose le même genre de problèmes, et qu'on n'a toujours pas de sous pour payer des experts à tout vérifier, on a une séquence de génome bien malpropre.

Avançons quand même.

Quand on pose la question : "le génome de l'amphioxus est-il similaire au génome ancestral ?", on peut répondre de différentes manières. Nous avons donc choisi différentes métriques, et pour chacune nous avons regardé si l'amphioxus était plus similaire à l'ancêtre prédit (par reconstruction statistique) que d'autres espèces. Nous avons pris comme points de comparaison plusieurs vertébrés : humain, poulet, poisson zèbre, ainsi que des ascidies, une hydre et un oursin, tous relativement proches de vertébrés sans en être (des deutérostomes sauf l'hydre [merci Gabriel pour la correction!]), et plus loin la mouche drosophile, le vers nématode, et une anémone comme espèce ayant divergé il y a très longtemps.

Première métrique : les duplications de gènes. Si on duplique un gène, on passe de une à deux copies dans le génome (ne pas confondre avec des allèles, merci), qui peuvent potentiellement diverger en fonction (objet d'un futur billet de blog, promis). Cela donne une forme de divergence par rapport à l'ancêtre. On sait que l'ancêtre des vertébrés a subi deux duplications complètes du génome, donc tous les gènes fois quatre au moins temporairement, et qu'en plus l'ancêtre des poissons téléostéens (99% des poissons que vous connaissez) en a eu une troisième. Malgrès des pertes très importantes de dupliqués redondants après ces duplications de génomes, on constate qu'elles dominent le paysage des duplications chez les animaux étudiés. Donc l'amphioxus a bien moins de dupliqués que les vertébrés, alors que le poisson zèbre (téléostéen bon teint) en a le plus. Donc l'amphioxus est plus ancestral que nous, mais pas plus que les autres qui ne sont pas des vertébrés.

Deuxième métrique : les pertes de gènes. Encore une petite note méthodologique d'abord. On détecte les gènes à comparer (homologues) par similarité de séquence. Donc on ne peut pas vraiment distinguer des gènes ayant beaucoup divergé en séquence, de gènes ayant été vraimement perdu. On va faire avec ce qu'on a. On constate d'abord que l'amphioxus est l'espèce qui a gardé le plus de gènes en commun avec l'anémone ; l'amphioxus marque des points d'ancestralité ici. Si on compare à l'ancêtre des chordés reconstruit par bioinformatique, l'amphioxus et les vertébrés en ont perdu peu, alors que les ascidies en ont perdu plein (le diagramme de Venn ci-dessous représente une partie de ces résultats). Donc selon les métriques, l'amphioxus gagne tout seul ou ex-aequo.

[caption id="" align="alignnone" width="308"] Diagramme de Venn des pertes de gènes[/caption]

En combinant ces résultats, on trouve que l'amphioxus se trouve à la fois dans le groupe avec peu de duplications, et dans celui avec peu de pertes. Il est donc bien le plus proche de l'ancêtre. Mais il n'est pas ancestral pour autant, car il y a bien dupliqué environ 10% de ses gènes, et perdu environ un tiers.

Enfin, nous avons vérifié la conservation de position des gènes sur les chromosomes. Les ascidies c'est n'importe quoi, aucune conservation ces pauvres bêtes. Les plus conservés sont le poulet parmi les vertébrés, et l'amphioxus parmi les autres. Alors si les duplications de génome ne vous dérangent pas, le poulet représente mieux l'ordre ancestral ; si vous voulez la version non dupliquée, c'est l'amphioxus. A noter que l'amphioxus part avec un désavantage, vu le mauvais assemblage de son génome par nous autres biologistes feignants. Il est possible qu'avec des progrès techniques on trouve une meilleure conservation encore.

Observation intéressante, grâce à la conservation de position des gènes, on a pu étudier des séquences régulatrices conservées entre amphioxus et vertébrés, quelque chose que l'on n'a pas pu faire chez les ascidies. Ce qui veut dire que l'on peut étudier l'évolution du contrôle de l'expression des gènes.

Notre conclusion est donc que l'amphioxus n'a pas un génome fossile, mais qu'il évolue effectivement plus lentement. Donc prendre l'amphioxus pour l'ancêtre, non. Comparer à l'amphioxus pour comprendre notre évolution, oui.