La complexification des génomes

L’universalité de l’ADN et l’unicité de sa structure dans le monde vivant autorisent des échanges génétiques entre organismes non nécessairement apparentés.

Des échanges de matériel génétique, hors de la reproduction sexuée, constituent des transferts horizontaux. Ils se font par des processus variés (vecteurs viraux, conjugaison bactérienne…).

Les transferts horizontaux sont très fréquents et ont des effets très importants sur l’évolution des populations et des écosystèmes. Les pratiques de santé humaine sont concernées (propagation des résistances aux antibiotiques).

Les endosymbioses transmises entre générations, fréquentes dans l’histoire des eucaryotes, jouent un rôle important dans leur évolution. Le génome de la cellule (bactérie ou eucaryote) intégré dans une cellule hôte régresse au cours des générations, certains de ses gènes étant transférés dans le noyau de l’hôte. Ce processus est à l’origine des mitochondries et des chloroplastes, organites contenant de l’ADN.

Activité : expériences historiques de transformation bactérienne

Activité : l’origine endosymbiotique des chloroplastes et des mitochondries

TP : transfert horizontal de gène à l’origine du placenta

Chapitre : la complexification des génomes

I – Mise en évidence des transferts génétiques

L’observation de la transmission du phénotype pathogène entre souches de bactéries différentes a mis en évidence le transfert d’informations génétiques entre individus.

II – Les mécanismes de transfert du matériel génétique chez les bactéries

A – La transformation

De l’ADN libre dans le milieu peut être incorporé au génome des bactéries.

B – La transduction (ou transfert viral)

Lors de l’infection d’une bactérie par un virus bactériophage, des fragments d’ADN de la bactérie hôte peuvent être emportés par le virus et intégrés au génome de la prochaine bactérie infectée.

C – La conjugaison

Les bactéries établissent des ponts entre elles par lesquels elles échangent des molécules, dont l’ADN.

D – Transfert horizontal vs transfert vertical

La transmission d’ADN entre individus d’une même génération, pas forcément apparentés, constitue un transfert horizontal, à distinguer du transfert vertical, qui se produit lors de la reproduction par passage du patrimoine génétique d’une génération à la suivante.

III – L’universalité de l’ADN et ses conséquences évolutives

A – Un support universel de l’information génétique

Les transferts génétiques sont observés même entre groupes d’êtres vivants très éloignés d’un point de vue phylogénétique. Ceci s’explique par l’universalité de la molécule d’ADN comme support de l’information génétique au sein du monde vivant.

B – Apports du séquençage des génomes

Le séquençage et la comparaison des génomes révèlent que toutes les espèces contiennent des gènes provenant d’autres espèces, y compris d’espèces vraiment très éloignées sur le plan phylogénétique.

Par exemple, on a identifié chez l’humain des gènes provenant de virus, de bactéries, de champignons ou de plantes.

C – Exploitation en biotechnologies

Les biotechnologies mettent à profit ces propriétés pour transférer et faire s’exprimer des gènes d’intérêt dans un autre organisme que celui de départ.

Par exemple, il est possible de transformer des bactéries ou des levures pour leur faire produire de grandes quantités de molécules utiles à l’être humain (médicaments, molécules agroalimentaires…).

IV – Rôle des transferts horizontaux

A – Diversification du vivant

Les transferts génétiques horizontaux sont très fréquents et participent à la diversification du monde vivant en faisant acquérir de nouveaux caractères aux lignées qui les reçoivent.

La comparaison des séquences montre que la syncytine des hominoïdes est très proche d’une protéine virale (> 80 % d’identité). Cela s’explique par un transfert horizontal de gène : un gène viral a été intégré dans le génome de l’ancêtre commun des hominoïdes. Ce gène, devenu la syncytine, est essentiel à la formation du placenta par fusion des membranes cellulaires.

B – Enjeux de santé publique

La fréquence élevée des échanges génétiques pose un problème de santé publique, car l’usage intensif d’antibiotiques dans l’élevage et en santé humaine favorise l’apparition de gènes de résistance qui sont ensuite largement dispersés dans l’environnement et transférés entre bactéries.

V – La théorie de l’endosymbiose

A – Origine des mitochondries et chloroplastes

Le constat de grandes similitudes du point de vue des structures et des fonctions entre les organites cellulaires et des bactéries vivant à l’état libre dans le milieu a conduit à formuler la théorie de l’endosymbiose.

Cette théorie énonce que les mitochondries et les chloroplastes dérivent de bactéries ayant été intégrées au cytoplasme d’autres cellules il y a plus de 2 milliards d’années.

B – Transmission des organites

Capables de se multiplier, ces organites sont transmis d’une génération à l’autre avec le cytoplasme des gamètes (hérédité cytoplasmique) ou par division des cellules.

C – Réduction et transfert du génome des organites

Au cours du temps, le génome de l’organite régresse, soit une partie de ses gènes sont éliminés, soit une partie de ses gènes sont transférés dans le noyau de la cellule hôte.

D – Nouvelles potentialités métaboliques

L’intégration d’autres cellules confère à la cellule-hôte de nouvelles potentialités métaboliques, comme la réalisation de la respiration avec la mitochondrie ou la réalisation de la photosynthèse avec le chloroplaste.

Les endosymbioses en série se sont fréquemment produites au cours de l’histoire des Eucaryotes.

Chapitre : la complexification des génomes

I. Transferts génétiques

• Transmission de phénotypes pathogènes entre bactéries = preuve de transferts d’ADN.

II. Transferts chez les bactéries

• Transformation : ADN libre intégré au génome.

• Transduction : virus (bactériophage) transporte fragments d’ADN.

• Conjugaison : échange d’ADN via ponts cytoplasmiques.

• Horizontal = même génération / Vertical = reproduction génération suivante.

III. Universalité de l’ADN & évolution

• ADN = support universel de l’information → transferts possibles entre espèces très éloignées.

• Séquençage → gènes étrangers dans tous les génomes (ex. virus, bactéries, plantes chez l’humain).

• Biotechnologies : transfert/expression de gènes d’intérêt (ex. bactéries produisant insuline).

IV. Rôle des transferts horizontaux

• Diversification du vivant → acquisition de nouveaux caractères.

• Ex. Syncytine (humains) ← gène viral intégré chez l’ancêtre commun → rôle clé dans le placenta.

• Santé publique : diffusion rapide de gènes de résistance aux antibiotiques.

V. Théorie de l’endosymbiose

• Mitochondries & chloroplastes = anciennes bactéries intégrées dans cellules hôtes.

• Transmission par hérédité cytoplasmique.

• Réduction/transfert du génome vers le noyau.

• Nouvelles capacités métaboliques :

• Mitochondrie = respiration.

• Chloroplaste = photosynthèse.

• Endosymbioses en série fréquentes dans l’histoire des eucaryotes.

• Microbiologiste médical (Bac+8 minimum) : il étudie les bactéries et leurs échanges génétiques (résistance aux antibiotiques, transferts horizontaux). Son expertise est essentielle pour comprendre les infections et développer de nouvelles stratégies thérapeutiques.

• Ingénieur·e en biotechnologies (Bac+5 minimum) : il exploite les transferts de gènes pour produire des molécules d’intérêt (médicaments, vaccins, enzymes). Il travaille à l’interface entre recherche, industrie pharmaceutique et agroalimentaire.

• Spécialiste en santé publique (Bac+5 minimum) : il surveille et gère les risques liés à la propagation de gènes de résistance ou de pathogènes émergents. Ses missions incluent la prévention, la mise en place de politiques de santé et la sensibilisation des populations.

Qu’a révélé l’observation de la transmission d’un phénotype pathogène entre souches bactériennes ?

A) L’existence de mutations ponctuelles

B) L’existence de transferts d’informations génétiques entre individus

C) L’absence de diversité génétique chez les bactéries

D) La reproduction sexuée des bactéries

Quel est le mécanisme de transformation chez les bactéries ?

A) Incorporation d’ADN libre du milieu dans le génome bactérien

B) Transfert d’ADN par un virus bactériophage

C) Formation d’un clone génétique

D) Échange d’ADN par contact direct via un pont cytoplasmique

Lors de la transduction, comment s’effectue le transfert de matériel génétique ?

A) Par incorporation de fragments d’ADN libre

B) Par un virus bactériophage qui emporte un fragment d’ADN de la bactérie hôte

C) Par simple réplication de l’ADN

D) Par fusion de deux bactéries

Comment nomme-t-on la transmission d’ADN entre individus d’une même génération, non apparentés ?

A) Transfert vertical

B) Mutation génétique

C) Transfert horizontal

D) Réplication de l’ADN

Pourquoi observe-t-on des transferts génétiques même entre espèces très éloignées ?

A) Parce que toutes partagent la même molécule universelle d’ADN

B) Parce que toutes se reproduisent de manière identique

C) Parce que toutes vivent dans les mêmes environnements

D) Parce qu’elles ont le même nombre de chromosomes

Que révèle la comparaison des génomes séquencés des espèces ?

A) Chaque espèce possède uniquement ses propres gènes

B) Les espèces contiennent souvent des gènes provenant d’autres espèces

C) Les génomes n’ont pas évolué depuis des milliards d’années

D) Tous les gènes sont uniques et sans équivalent ailleurs

Quelle application biotechnologique exploite les transferts génétiques ?

A) La création de mutations aléatoires

B) Le séquençage massif de l’ADN

C) Le transfert de gènes d’intérêt dans d’autres organismes pour produire des molécules utiles

D) L’analyse d’arbres généalogiques

Quel exemple illustre un transfert horizontal ayant joué un rôle clé chez les hominoïdes ?

A) La formation des chromosomes sexuels

B) L’acquisition de la syncytine d’origine virale, impliquée dans le placenta

C) La duplication des gènes de globines

D) L’apparition du gène CFTR

Pourquoi les transferts horizontaux posent-ils un problème de santé publique ?

A) Ils entraînent la perte de la diversité génétique

B) Ils favorisent la propagation de gènes de résistance aux antibiotiques

C) Ils empêchent la reproduction sexuée

D) Ils bloquent la réplication de l’ADN

Quelle est l’hypothèse centrale de la théorie de l’endosymbiose ?

A) Les mitochondries et chloroplastes sont apparus par mutation

B) Ces organites proviennent de bactéries intégrées dans une cellule hôte il y a plus de 2 milliards d’années

C) Ils ont toujours existé dans les cellules eucaryotes

D) Ils sont produits par le noyau cellulaire

Comment les mitochondries et chloroplastes sont-ils transmis d’une génération à l’autre ?

A) Par duplication des chromosomes nucléaires

B) Par hérédité cytoplasmique via les gamètes ou par division des cellules

C) Par transferts horizontaux uniquement

D) Par réplication d’ADN libre dans le cytoplasme

Quelle conséquence a eu la réduction et le transfert de gènes des organites vers le noyau ?

A) La disparition complète des organites

B) L’augmentation de la taille des organites

C) La dépendance des organites vis-à-vis du noyau

D) L’arrêt de la photosynthèse et de la respiration

Quelles nouvelles potentialités métaboliques l’endosymbiose a-t-elle apportées ?

A) La respiration grâce aux mitochondries et la photosynthèse grâce aux chloroplastes

B) La duplication des gènes du noyau

C) La formation d’enzymes digestives

D) La synthèse de protéines ribosomiques

• Les transferts horizontaux remettent-ils en cause notre vision « en arbre » de l’évolution ?

• Comment les transferts horizontaux de gènes compliquent-ils la lutte contre l’antibiorésistance ?

• En quoi les transferts de gènes inspirent-ils les techniques de génie génétique (OGM, thérapies géniques, insuline produite par des bactéries…) ?

• Quelles limites éthiques et environnementales posent les biotechnologies qui exploitent les transferts de gènes ?