chapitre 21 Les génomes et leur évolution 503
40 fois la taille du génome humain. Un exemple encore plus
frappant : la taille du génome d’une amibe unicellulaire, Polychaos dubia, a été évaluée à 670 000 Mb. (Ce génome n’a pas
encore été séquencé.) Sur une échelle plus raffinée, en comparant deux espèces d’Insectes, il s’avère que le génome du grillon
(Anabrus simplex) renferme 11 fois plus de paires de bases que
celui de Drosophila melanogaster. Il y a un large éventail de
tailles de génomes au sein des groupes des Protistes, des Insectes, des Amphibiens et des Végétaux et une gamme moins
étendue chez les Mammifères et les Reptiles.
Le nombre de gènes
Le nombre de gènes varie également entre les Procaryotes et les
Eucaryotes : les Bactéries et les Archées, en général, possèdent
moins de gènes que les Eucaryotes. Les Bactéries libres et les
Archées ont de 1 500 à 7 500 gènes, tandis que chez les Eucaryotes ce nombre varie entre 5 000 environ pour les Eumycètes
unicellulaires et au moins 40 000 pour certains Eucaryotes
multi cellulaires (voir le tableau 21.1).
Chez les Eucaryotes, le nombre de gènes que possède une
espèce est souvent plus faible que ce que laisse supposer la taille
du génome. En examinant le tableau 21.1, vous pouvez constater que la taille du génome du nématode C. elegans est de
100 Mb et que celui-ci contient environ 20 000 gènes. Par comparaison, le génome de Drosophila melanogaster est beaucoup
plus gros (165 Mb), mais il ne renferme que 13 700 gènes, ce
qui ne représente que les deux tiers du nombre de gènes de
C. elegans.
Si on examine un exemple qui nous concerne plus directement, on note que le génome humain contient 3 000 Mb, un
nombre bien supérieur à la taille du génome de Drosophila
melanogaster ou de C. elegans. Au début du Projet génome
humain, les biologistes s’attendaient à isoler entre 50 000 et
100 000 gènes une fois terminé le séquençage. Cette estimation
était fondée sur le nombre de protéines humaines connues. À
mesure que le projet progressait, il a fallu réviser plusieurs fois
les prévisions à la baisse, et en 2010, l’évaluation la plus fiable
fixait ce nombre à moins de 21 000. Le nombre relativement
faible, similaire au nombre de gènes du nématode C. elegans, a
surpris les biologistes, qui s’attendaient manifestement à ce que
les gènes humains soient beaucoup plus nombreux.
Quels attributs génétiques permettent donc à l’humain (et
aux autres Vertébrés) de fonctionner sans posséder plus de
gènes qu’un nématode ? Un important facteur est que les
séquences codantes des génomes des Vertébrés sont plus
« productives », parce que la fréquence des épissages extensifs différentiels est plus élevée dans les transcrits d’ARN.
Souvenons-nous que, par le biais de ce processus, un seul
gène est en mesure d’engendrer plus d’une protéine fonctionnelle (voir la figure 18.13, p. 420). Un gène humain
typique contient environ dix exons, et on estime que 93 %
de ces gènes multiexons peuvent subir un épissage d’au
moins deux façons différentes. Certains gènes sont exprimés
sous des centaines de formes ayant subi un épissage différentiel, d’autres en seulement deux formes. Il n’est pas encore
possible de répertorier toutes les différentes formes, mais il
est clair que le nombre de protéines codées dans le génome
humain excède de beaucoup le nombre proposé de gènes.
À cela s’ajoute la diversité des polypeptides résultant des
modifications post-traductionnelles comme le clivage ou
l’ajout de glucides dans différents types de cellules ou à divers
stades de développement. Enfin, la découverte des miARN et
d’autres petits ARN qui jouent des rôles de régulation (voir le
concept 18.3) introduit une nouvelle variable. Certains scientifiques croient que ce niveau de régulation supplémentaire,
lorsqu’il est présent, peut contribuer à une plus grande complexité des organismes pour un nombre donné de gènes.
La densité génique et l’aDN non codant
Outre la taille du génome et le nombre de gènes, on peut
comparer la densité des gènes de différentes espèces, autrement dit, le nombre de gènes dans une longueur donnée
d’ADN. Quand on compare les génomes de Bactéries, d’Archées
et d’Eucaryotes, on constate que les Eucaryotes ont généralement des génomes plus gros, mais qu’ils renferment moins
de gènes dans un nombre donné de paires de bases. Les
humains possèdent des centaines ou des milliers de fois plus
de paires de bases dans leurs génomes que la plupart des
Bactéries, comme nous l’avons déjà noté, mais, en moyenne,
seulement 5 à 15 fois plus de gènes ; par conséquent,
la densité des gènes est plus faible chez les humains (voir
le tableau 21.1). Même les Eucaryotes unicellulaires, comme
les levures, possèdent moins de gènes par million de paires
de bases que les Bactéries et les Archées. Parmi les génomes
entièrement séquencés jusqu’à maintenant, ce sont les humains
et les autres Mammifères qui présentent la densité génique la
plus faible.
Dans tous les génomes bactériens étudiés jusqu’à maintenant, la majeure partie de l’ADN est constituée de gènes qui
codent pour des protéines, de l’ARNt ou de l’ARNr ; les petites
quantités d’ADN qui restent sont principalement constituées
de séquences régulatrices non transcrites, comme les promoteurs. De plus, le segment nucléotidique le long d’un gène
bactérien qui code pour des protéines est ininterrompu (sans
introns). Par contre, dans le génome des Eucaryotes, la plus
grande partie de l’ADN n’est pas transcrite en protéines ni ne
code pour des molécules d’ARN de fonction connue, et l’ADN
comporte des séquences régulatrices plus complexes. En fait,
les humains possèdent 10 000 fois plus d’ADN non codant
que les Bactéries. Chez les Eucaryotes multicellulaires, une
partie de cet ADN est présente sous forme d’introns dans le
gène. En fait, les introns sont responsables de la majeure partie de la différence dans la longueur moyenne entre les gènes
des humains (27 000 paires de bases) et ceux des Bactéries
(1 000 paires de bases).
En plus des introns, les Eucaryotes multicellulaires ont
une grande quantité d’ADN non codant pour des protéines,
situé entre les gènes. À la section suivante, nous décrirons la
composition et l’arrangement de ces grands segments d’ADN
dans le génome humain.
retour sur le ConCept 21.3
1. Selon la meilleure estimation actuelle, le génome
humain contient moins de 21 000 gènes. Cependant,
il est évident que le nombre de polypeptides différents
dans les cellules humaines est bien supérieur à 21 000.
Quels processus peuvent expliquer cette divergence ?
40 fois la taille du génome humain. Un exemple encore plus
frappant : la taille du génome d’une amibe unicellulaire, Polychaos dubia, a été évaluée à 670 000 Mb. (Ce génome n’a pas
encore été séquencé.) Sur une échelle plus raffinée, en comparant deux espèces d’Insectes, il s’avère que le génome du grillon
(Anabrus simplex) renferme 11 fois plus de paires de bases que
celui de Drosophila melanogaster. Il y a un large éventail de
tailles de génomes au sein des groupes des Protistes, des Insectes, des Amphibiens et des Végétaux et une gamme moins
étendue chez les Mammifères et les Reptiles.
Le nombre de gènes
Le nombre de gènes varie également entre les Procaryotes et les
Eucaryotes : les Bactéries et les Archées, en général, possèdent
moins de gènes que les Eucaryotes. Les Bactéries libres et les
Archées ont de 1 500 à 7 500 gènes, tandis que chez les Eucaryotes ce nombre varie entre 5 000 environ pour les Eumycètes
unicellulaires et au moins 40 000 pour certains Eucaryotes
multi cellulaires (voir le tableau 21.1).
Chez les Eucaryotes, le nombre de gènes que possède une
espèce est souvent plus faible que ce que laisse supposer la taille
du génome. En examinant le tableau 21.1, vous pouvez constater que la taille du génome du nématode C. elegans est de
100 Mb et que celui-ci contient environ 20 000 gènes. Par comparaison, le génome de Drosophila melanogaster est beaucoup
plus gros (165 Mb), mais il ne renferme que 13 700 gènes, ce
qui ne représente que les deux tiers du nombre de gènes de
C. elegans.
Si on examine un exemple qui nous concerne plus directement, on note que le génome humain contient 3 000 Mb, un
nombre bien supérieur à la taille du génome de Drosophila
melanogaster ou de C. elegans. Au début du Projet génome
humain, les biologistes s’attendaient à isoler entre 50 000 et
100 000 gènes une fois terminé le séquençage. Cette estimation
était fondée sur le nombre de protéines humaines connues. À
mesure que le projet progressait, il a fallu réviser plusieurs fois
les prévisions à la baisse, et en 2010, l’évaluation la plus fiable
fixait ce nombre à moins de 21 000. Le nombre relativement
faible, similaire au nombre de gènes du nématode C. elegans, a
surpris les biologistes, qui s’attendaient manifestement à ce que
les gènes humains soient beaucoup plus nombreux.
Quels attributs génétiques permettent donc à l’humain (et
aux autres Vertébrés) de fonctionner sans posséder plus de
gènes qu’un nématode ? Un important facteur est que les
séquences codantes des génomes des Vertébrés sont plus
« productives », parce que la fréquence des épissages extensifs différentiels est plus élevée dans les transcrits d’ARN.
Souvenons-nous que, par le biais de ce processus, un seul
gène est en mesure d’engendrer plus d’une protéine fonctionnelle (voir la figure 18.13, p. 420). Un gène humain
typique contient environ dix exons, et on estime que 93 %
de ces gènes multiexons peuvent subir un épissage d’au
moins deux façons différentes. Certains gènes sont exprimés
sous des centaines de formes ayant subi un épissage différentiel, d’autres en seulement deux formes. Il n’est pas encore
possible de répertorier toutes les différentes formes, mais il
est clair que le nombre de protéines codées dans le génome
humain excède de beaucoup le nombre proposé de gènes.
À cela s’ajoute la diversité des polypeptides résultant des
modifications post-traductionnelles comme le clivage ou
l’ajout de glucides dans différents types de cellules ou à divers
stades de développement. Enfin, la découverte des miARN et
d’autres petits ARN qui jouent des rôles de régulation (voir le
concept 18.3) introduit une nouvelle variable. Certains scientifiques croient que ce niveau de régulation supplémentaire,
lorsqu’il est présent, peut contribuer à une plus grande complexité des organismes pour un nombre donné de gènes.
La densité génique et l’aDN non codant
Outre la taille du génome et le nombre de gènes, on peut
comparer la densité des gènes de différentes espèces, autrement dit, le nombre de gènes dans une longueur donnée
d’ADN. Quand on compare les génomes de Bactéries, d’Archées
et d’Eucaryotes, on constate que les Eucaryotes ont généralement des génomes plus gros, mais qu’ils renferment moins
de gènes dans un nombre donné de paires de bases. Les
humains possèdent des centaines ou des milliers de fois plus
de paires de bases dans leurs génomes que la plupart des
Bactéries, comme nous l’avons déjà noté, mais, en moyenne,
seulement 5 à 15 fois plus de gènes ; par conséquent,
la densité des gènes est plus faible chez les humains (voir
le tableau 21.1). Même les Eucaryotes unicellulaires, comme
les levures, possèdent moins de gènes par million de paires
de bases que les Bactéries et les Archées. Parmi les génomes
entièrement séquencés jusqu’à maintenant, ce sont les humains
et les autres Mammifères qui présentent la densité génique la
plus faible.
Dans tous les génomes bactériens étudiés jusqu’à maintenant, la majeure partie de l’ADN est constituée de gènes qui
codent pour des protéines, de l’ARNt ou de l’ARNr ; les petites
quantités d’ADN qui restent sont principalement constituées
de séquences régulatrices non transcrites, comme les promoteurs. De plus, le segment nucléotidique le long d’un gène
bactérien qui code pour des protéines est ininterrompu (sans
introns). Par contre, dans le génome des Eucaryotes, la plus
grande partie de l’ADN n’est pas transcrite en protéines ni ne
code pour des molécules d’ARN de fonction connue, et l’ADN
comporte des séquences régulatrices plus complexes. En fait,
les humains possèdent 10 000 fois plus d’ADN non codant
que les Bactéries. Chez les Eucaryotes multicellulaires, une
partie de cet ADN est présente sous forme d’introns dans le
gène. En fait, les introns sont responsables de la majeure partie de la différence dans la longueur moyenne entre les gènes
des humains (27 000 paires de bases) et ceux des Bactéries
(1 000 paires de bases).
En plus des introns, les Eucaryotes multicellulaires ont
une grande quantité d’ADN non codant pour des protéines,
situé entre les gènes. À la section suivante, nous décrirons la
composition et l’arrangement de ces grands segments d’ADN
dans le génome humain.
retour sur le ConCept 21.3
1. Selon la meilleure estimation actuelle, le génome
humain contient moins de 21 000 gènes. Cependant,
il est évident que le nombre de polypeptides différents
dans les cellules humaines est bien supérieur à 21 000.
Quels processus peuvent expliquer cette divergence ?