En génétique, la duplication génétique correspond à la multiplication de matériel génétique sur un chromosome. Il existe plusieurs mécanismes qui résultent de la duplication soit d'une large portion chromosomique, soit d'un gène ou bien d'une suite nucléotidique. Ces remaniements du génome représentent un moteur important dans l'évolution des génomes. Le doublement d'un gène crée une copie supplémentaire dégagée de la pression de sélection, ce qui peut permettre à la copie de muter à nouveau sans conséquences nuisibles à l'organisme. C'est un des mécanismes importants de l'évolution moléculaire.
Cependant, dans de nombreux cas, ces altérations sont responsables de maladies génétiques à cause du surplus de données génétiques conduisant à des problèmes au cours du développement. De plus, l'amplification génique peut contribuer à la croissance d'une tumeur. Par exemple l'oncogène C-myc est souvent amplifié dans de nombreuses tumeursWong AJ, Ruppert JM, Eggleston J, Hamilton SR, Baylin SB, Vogelstein B. Gene amplification of c-myc and N-myc in small cell carcinoma of the lungScience, 1986 Jul 25;233(4762):461-4Escot C, Theillet C, Lidereau R, Spyratos F, Champeme MH, Gest J, Callahan R. Genetic alteration of the c-myc protooncogene (MYC) in human primary breast carcinomas Proc Natl Acad Sci U S A, 1986 Jul;83(13):4834-8.
Duplication du génome Au cours de leur évolution, plusieurs espèces eucaryotes ont subi une duplication complète de leur génome ; on parle alors de paléopolyploïdie. Par exemple, chez la Levure du boulanger (Saccharomyces cerevisiae), le génome s'est dupliqué il y a d'annéesKellis, M, Birren, BW & Lander, ES. Proof and evolutionary analysis of ancient genome duplication in the yeast Saccharomyces cerevisiae Nature 2004 428: 617-624. .
Mécanismes
Il existe deux mécanismes permettant la duplication complète d'un génome : autopolyploïdie : la non-disjonction des chromosomes dans la lignée germinale au cours de la méiose crée des gamètes diploïdes. La fusion de deux gamètes 2n crée un zygote 4n ; allopolyploïdie : l'hybridation interspécifique entre deux espèces résulte en deux ensembles de chromosomes. Chez l'hybride F1, le nombre de chromosomes va doubler et créer une nouvelle espèce si l'hybride est fertile. Par exemple, les plantes du genre Brassica ont évolué par allopolyploïdie. Le triangle d'U est une théorie décrivant les relations génétiques entre les trois espèces Brassica diploïdes (B. oleracea, B. rapa, et B. nigra) et les trois espèces allotétraploïdes (B. napus, B. juncea, et B. carinata) résultantes d'hybridation entre les espèces diploïdes.
Exemples Le génome de nombreuses plantes est polyploïde. On peut citer le blé qui est hexaploïde (6 copies de son génome). En 2007, une collaboration franco-italienne a permis de séquencer le génome de la vigne (Vitis vinifera) : l'ancêtre des plantes dicotylédones a subi plusieurs évènements de duplication de son génome après la divergence des monocotylédones et des dicotylédones ; la plante ancestrale dicotylédone devait être hexaploïde. L'hypothèse émise serait que cette duplication du génome est à l'origine de la radiation des plantes dicotylédonesJaillon, O. et al.; The grapevine genome sequence suggests ancestral hexaploidization in major angiosperm phyla Nature. 2007 Sep 27;449(7161):463-7.
Le génome des Vertébrés a de même fait l'objet de trois multiplications. : à la base des VertébrésCette duplication est présente chez tous les Vertébrés, mais absente chez les autres Chordés., une duplication autopolyploïde ; à la base des CyclostomesCette triplication est présente chez tous les Cyclostomes, mais absente chez les Gnathostomes., une triplication autopolyploïde ; à la base des GnathostomesCette seconde duplication est présente chez tous les Gnathostomes, mais absente chez les Cyclostomes., une seconde duplication, allopolyploïde. L'allopolyploïdie entraîne des déséquilibres génomiques qui conduisent à des réarrangements des chromosomes, des changements dans la structure de la chromatine, la méthylation d'une partie de l'ADN et l'activation d'éléments transposables, donc à des innovations et des diversifications : cette seconde duplication pourrait être à l'origine de la réussite évolutive des Gnathostomes.
Plasticité des génomes La duplication des génomes est rare car la modification de la dose génique chez un embryon est souvent létale. Par contre, 30 à 80 % des plantes sont polyploïdes et l'explosion du nombre d'espèces chez les angiospermes corrèle avec la duplication complète du génome d'une plante ancestrale. Cela s'explique par une plus grande tolérance au changement du nombre de chromosomes chez les angiospermes par rapport aux animauxLeitch, A.R. Leitch, I.J. Genome plasticity and the diversity of polyploid plants Science. 2008 Apr 25;320(5875):481-3. Des duplications du génome récentes datant de moins de 150 ans ont été identifiées chez de nombreuses plantes tels que chez les salsifis où les espèces Tragopogon mirus et Tragopogon miscellus sont apparues il y a environ 80 ans par allotétraploïdie. Ces découvertes permettent de comprendre les conséquences phénotypiques et génétiques du changement de ploïdie Lim, K.Y. Soltis, D.E. et al. Rapid chromosome evolution in recently formed polyploids in Tragopogon (Asteraceae) PLoS One 2008;3(10):e3353. Epub 2008 Oct 9 ..
Duplication du génome chez les vertébrés
De nombreuses preuves s'accumulent démontrant que pendant l'évolution des vertébrés plusieurs duplications complètes du génome ont eu lieu. Après l'explosion cambrienne il y a environ 450 millions d'années, une première duplication du génome d'un ancêtre des Chordés a eu lieu suivi environ d'années plus tard au début de la période Dévonienne d'une deuxième duplication complète du génome. À la fin du Dévonien, une troisième duplication du génome a eu lieu chez les poissons à nageoires rayonnées.
Hypothèse 2R Les premières estimations du nombre de gènes chez l'Homme ont montré que le génome des vertébrés est plus complexe que celui des invertébrés. Pour expliquer l'augmentation de la taille des génomes de vertébrés, Susumu Ohno proposa en 1970 que le génome des vertébrés est le résultat d'une ou plusieurs duplications complètes du génomeOhno S (1970). Evolution by Gene Duplication. London: Allen and Unwin, .. Aujourd'hui, cette hypothèse est connue sous le nom d'hypothèse 2R (2 Round) car elle stipule qu'il y a d'années une espèce vertébrée ancestrale a subi deux évènements de duplication du génomeMakałowski W (2001). "Are we polyploids? A brief history of one hypothesis." Genome research 11(5): 667–670, , . Au cours des années 90, cette hypothèse fut extrêmement discutée car les vestiges des duplications géniques disparaissent avec l'évolution. Cependant, aujourd'hui cette hypothèse a recueilli de nombreuses preuves génétiques et phylogénétiques Dehal, P. Boore, J.L. (2005). "Two round of whole genome duplication in the ancestral vertebrate" PLoS Biology 3(10): e314 . Un des premiers arguments fut l'absence de liaison entre la plupart des gènes paralogues. En effet, à la suite d'une duplication segmentale les gènes dupliqués sont présents sur le même chromosome et donc génétiquement liés. Par contre, à la suite d'une duplication du génome, les gènes dupliqués se trouvent sur des chromosomes différents. Enfin, l'argument majeur en faveur de l'hypothèse 2R est venu de l'étude des complexes de gènes Hox qui suivent la règle 4:1 c'est-à-dire qu'il existe un complexe Hox chez les invertébrés et quatre complexes Hox chez la plupart des vertébrés qui serait le résultat de deux événements de duplication du génome.
Paralogon Hox
Un complexe Hox est un ensemble de gènes homéotiques groupés sur un chromosome codant des facteurs de transcription essentiels à l'établissement de l'axe antéro-postérieur et l'identité segmentaire chez les animaux. Les quatre complexes Hox chez l'Homme sont sur les chromosomes 2, 7, 12 et 17. À proximité de chaque complexe se trouve un gène paralogue appartenant à la famille Dlx, Collagen et/ou ErbB. Ainsi, le paralogon Hox correspond aux complexes Hox associés aux gènes paralogues situés à proximité du complexe Hox. La présence de plusieurs gènes paralogues à proximité des complexes Hox est un argument majeur de l'hypothèse 2R. Cependant, des analyses phylogénétiques ont montré que certains gènes paralogues et les gènes Hox avaient une histoire évolutive différente ce qui contredit l'hypothèse 2R. Récemment, une étude propose que deux translocations réciproques au sein des complexes Hox intervenues après la deuxième duplication complète du génome expliqueraient les différences d'évolution au sein du paralogon Hox Lynch, V.J. Wagner, G.P: (2009). "Multiple chromosomal rearrangements structured the ancestral vertebrate Hox-bearing protochromosomes" PLoS Genetics 5(1): e1000349 .
Hypothèse 3R En 1998, sept complexes Hox ont été identifiés chez le poisson zèbre Danio rerio. Les auteurs de cette étude proposèrent qu'après les deux duplications de génome survenues chez un vertébré ancestral, un troisième évènement de duplication du génome eut lieu spécifiquement chez les poissons téléostéens qui donna huit complexes Hox suivi de la perte d'un complexe Hox Amores, A. Force A. et al. (1998). "Zebrafish Hox cluster and vertebrate genome evolution" Science Nov 27;282(5394):1711-4 .
Hypothèse 4R En 2005, une équipe canadienne démontra qu'il existait chez le saumon de l'Atlantique et la truite en arc-en-ciel qui appartiennent à la famille des salmonidés, quatorze complexes Hox suggérant une nouvelle duplication du génome spécifique de la famille des salmonidés Moghadam HK, Ferguson MM, Danzmann RG. (2005)"Evolution of Hox clusters in Salmonidae: a comparative analysis between Atlantic salmon (Salmo salar) and rainbow trout (Oncorhynchus mykiss)" J Mol Evol. 2005 Nov;61(5):636-49 .
Duplication d’une région chromosomique La duplication est parfois décrite comme une trisomie partielle. Il existe 2 types de duplication : duplication directe (ou en tandem) : le fragment se duplique dans le même sens ; duplication inverse (ou en miroir) : le fragment se duplique en sens inverse.
On peut également distinguer les duplications : intrachromosomique : le fragment est dupliqué sur le même chromosome à la suite d'un mécanisme de réparation non homologue de l'ADN ; interchromosomique : le fragment est dupliqué sur un autre chromosome à la suite d'une translocation chromosomique.
De nombreux syndromes résultent de la duplication d'un segment de chromosome, tel que le syndrome de Beckwith-Wiedemann ou la maladie de Charcot-Marie-Tooth type 1. Bien que souvent délétère pour un organisme, l'analyse des génomes de nombreuses espèces, et notamment le génome humain, a révélé la présence de nombreuses régions dupliquées.
Exemples de segments de chromosomes dupliqués dans le génome humain