L’Influence des Supergènes dans l’Évolution

En verrouillant ensemble des traits bénéfiques, les supergènes confèrent des avantages évolutifs significatifs. Cependant, cette association s’accompagne de coûts potentiels, car il devient extrêmement difficile d’éliminer des mutations préjudiciables.

Traditionnellement, on pensait que la reproduction sexuée évoluait comme un moyen pour les organismes de mélanger ou recombiner différents allèles (variantes génétiques) dans la génération suivante, créant une variation génétique essentielle pour la sélection naturelle et l’adaptation. Cependant, des recherches récentes indiquent que toutes les régions du génome ne subissent pas un mélange égal. Certaines régions, contenant quelques centaines de gènes, subissent rarement une recombinaison.

Par conséquent, la même combinaison d’allèles est constamment transmise ensemble à la génération suivante, formant des unités génétiques appelées “supergènes”. Ces supergènes ont été identifiés chez divers organismes tels que les fourmis, les papillons, les oiseaux, les poissons, les plantes et les champignons, avec probablement plus en attente de découverte.

Les scientifiques proposent que les supergènes évoluent de manière similaire aux chromosomes sexuels. Au fil de l’évolution, les allèles bénéfiques pour les mâles mais pas pour les femelles sont sélectionnés pour être transmis ensemble. Ce processus conduit au développement de régions avec une recombinaison supprimée, comme on le voit entre les chromosomes X et Y chez les mammifères. Cette région peut s’étendre à mesure que davantage d’allèles avantageux pour un sexe mais pas pour l’autre s’accumulent près de la région initiale de recombinaison supprimée.

Le rôle des Supergènes dans la Régulation des Traits et de l’Organisation Sociale

Ce phénomène est connu sous le nom de sélection sexuellement antagoniste. Des découvertes récentes révèlent que les chromosomes sexuels ne représentent qu’un cas spécifique d’un phénomène plus vaste. Les supergènes, caractérisés par une recombinaison supprimée, peuvent jouer un rôle dans la régulation de divers traits, allant au-delà des chromosomes sexuels. Notamment, ils peuvent influencer l’organisation sociale, comme observé dans le cas des fourmis Formica.

“Il existe une force évolutive connue sous le nom de sélection antagoniste, censée stimuler l’expansion des chromosomes sexuels, et la présence de cette force était prévue pour se manifester également dans les supergènes. Nous confirmons maintenant ce phénomène pour la première fois”, explique Buck Trible, expert en supergènes de fourmis à l’Université Harvard.

Les supergènes jouent un rôle significatif dans la formation de l’organisation des colonies de fourmis Formica. Ces fourmis possèdent un supergène sur le chromosome 3 qui détermine si les colonies ont une ou plusieurs reines. Une découverte récente des chercheurs de l’Université de Californie à Riverside a révélé un autre supergène sur le chromosome 9 chez ces fourmis. Ce supergène régule la taille des reines, une variante produisant des reines miniatures d’environ 20 % plus petites que les reines de taille standard.

Association entre les Reines Miniatures et les Colonies à Plusieurs Reines

L’étude a révélé que les reines miniatures se trouvent principalement dans les colonies avec plusieurs reines. En essence, la version du supergène sur le chromosome 9 associée aux colonies à plusieurs reines est étroitement liée à la version du supergène sur le chromosome 3 responsable de la production de reines miniatures.

Les chromosomes n’indiquent pas de fusion physique, et les chercheurs ont noté que plus de 20 % des œufs de fourmis présentent des combinaisons de supergènes “non assorties”. Par exemple, une fourmi peut posséder la version du chromosome 3 responsable des colonies à une seule reine et simultanément, la version du chromosome 9 produisant des reines miniatures. Cependant, seule une petite proportion d’individus avec ces combinaisons non assorties survivent jusqu’à l’âge adulte, indiquant une sélection robuste contre de telles combinaisons.

L’entomologiste Giulia Scarparo, auteure principale de l’étude, explique : “Notre hypothèse est que dans les cas de combinaisons non assorties, les individus ont tendance à se développer en ouvrières plutôt qu’en reines.” De plus, “il y a un mécanisme qui impacte négativement le développement de ces individus, expliquant pourquoi nous observons rarement cette combinaison à l’âge adulte.”

Les chercheurs qualifient la forte sélection contre les combinaisons non assorties de “sélection socialement antagoniste”, car elle ressemble à la sélection sexuellement antagoniste qui propulse l’évolution des chromosomes sexuels.

Dans les colonies à une seule reine, les reines matures entreprennent généralement un vol nuptial pour établir de nouvelles colonies, utilisant la graisse corporelle et les muscles pour la première portée. Les ressources métaboliques limitées compliquent l’établissement de petites colonies indépendantes par de petites reines, conduisant à une efficacité accrue pour prospérer au sein de colonies à plusieurs reines.

Rôle Évolutif des Colonies à Plusieurs Reines dans l’Émergence de Reines Miniatures

Les chercheurs suggèrent que l’évolution des colonies à plusieurs reines était cruciale pour l’émergence de reines miniatures. Ces reines plus petites dépendent des ressources des ouvrières produites par d’autres reines dans les colonies à plusieurs reines pour soutenir leur progéniture. Certaines reines miniatures investissent de manière disproportionnée dans la production de plus de leur genre, affichant potentiellement un comportement parasitaire social au sein de la colonie. Scarparo suggère que “les petites reines peuvent fonctionner comme des parasites sociaux.”

De nombreuses espèces de fourmis sociales parasitaires sans ouvrières, totalisant plusieurs centaines, exploitent les ressources des nids de proches parents pour leur progéniture. L’évolution de ces espèces socialement parasitaires reste un mystère, mais les supergènes sociaux jouent probablement un rôle.

La suppression de la recombinaison dans les supergènes implique souvent des inversions chromosomiques, retournant une section et inversant l’ordre de séquence des gènes. Cela entrave l’alignement et la recombinaison pendant la méiose, le processus de division cellulaire générant les cellules sexuelles. L’absence de mélange génétique peut lier de manière permanente deux mutations bénéfiques dans des gènes différents. Marcus Kronforst, chercheur en supergènes chez les papillons à l’Université de Chicago, explique : “Une fois qu’une inversion se produit, la variation génétique accompagnant les mutations bénéfiques est essentiellement verrouillée avec elles, ressemblant à un accident historique.”

Comprendre la Dynamique des Gènes dans les Supergènes

Dans de nombreux supergènes, y compris le supergène social de ces fourmis, de nombreux gènes collaborent, tandis que d’autres sont des spectateurs dans la région de recombinaison supprimée. Le supergène social des fourmis Formica comprend environ 500 gènes, avec seulement une petite fraction contribuant directement au nombre de reines de la colonie, note Jessica Purcell, auteure principale de l’étude et chercheuse en fourmis à l’UC Riverside.

Cette disposition n’influence pas seulement l’évolution des traits directement contrôlés par les supergènes, mais affecte également tous les traits régulés par les gènes au sein du supergène. Alors que les combinaisons bénéfiques sont verrouillées ensemble, des régions de recombinaison supprimée peuvent accumuler des mutations nuisibles, posant des défis pour leur élimination en raison de leur association avec d’autres traits avantageux dans le supergène.

Maintenir plusieurs versions de supergènes dans la population implique un compromis, comme l’explique Kronforst : “Vous aurez un certain bénéfice associé à l’haplotype d’inversion, mais il y a aussi un certain inconvénient associé, car il est à jamais lié à une certaine quantité de variation génétique délétère.”

Révélation du Rôle d’un Supergène chez les Papillons

Machaon Kronforst étudie un supergène chez les papillons machaon qui régule à la fois le motif de couleur et la forme de leurs ailes. Chez Papilio polytes, les femelles peuvent présenter quatre motifs distincts de couleur d’ailes, dont trois imitent différents papillons vénéneux. Pour comprendre ce supergène, l’équipe de Kronforst a séquencé le génome du machaon, en anticipant des centaines de gènes. À leur grande surprise, ils ont découvert qu’un seul gène, doublesex, contrôle à la fois la forme et la couleur des ailes. Ce gène, initialement impliqué dans la régulation du dimorphisme sexuel au sein d’une espèce, a été adapté par les papillons pour réguler le motif des ailes spécifiquement chez les femelles.

Chez le papillon machaon, doublesex présente quatre versions (haplotypes) au sein d’un supergène inversé, empêchant la recombinaison dans le gène. Ceci est essentiel pour préserver les motifs distincts des ailes, évitant un mélange qui exposerait les papillons aux prédateurs. L’équipe de Kronforst explore la régulation de la mimétisme chez les proches parents de Papilio polytes, découvrant d’autres espèces utilisant doublesex sans inversions pour séparer les haplotypes. L’absence de mécanismes de prévention de la recombinaison dans ces espèces soulève des questions sur la manière dont les papillons évitent le mélange des motifs d’ailes, mettant en évidence les inversions comme un moyen parmi d’autres pour supprimer la recombinaison.

Purcell souligne que la compréhension de la variation de la recombinaison à travers le génome est une frontière de la pensée évolutive, influençant la trajectoire de l’évolution des traits.

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