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Arabis alpina. © Meneerke bloem, Meneerke bloem

Le génome de l’Arabette des Alpes façonné par des séquences répétées d’ADN

Les séquences répétées d’ADN, ou éléments transposables, représentent une fraction importante du patrimoine génétique des plantes. Un consortium international comprenant des chercheurs de l’Inra et de l’ENS a mis en évidence que l’abondance de ces séquences dans le génome d’Arabis alpina repose sur une régulation épigénétique originale au sein de la famille des Brassicacées. Une première dans l’univers des plantes, qui est publiée le 2 février 2015 dans la revue Nature Plants.

Mis à jour le 04/02/2015
Publié le 04/02/2015

Chou et colza cultivés; corbeille d’or et giroflée ornementales ; herbe de la Saint Jean et bourse à Pasteur sauvages… la famille des Brassicacées a ceci d’intéressant qu’elle rassemble plus de 3 200 espèces de plantes dont certaines ont un intérêt économique certain. Actuellement, les génomes de plusieurs d’entre elles ont été entièrement séquencés (dont celui de la plante modèle Arabidopsis thaliana) et ces données constituent un matériel de choix pour des études de génomique comparative au cœur d’une même famille. Un défi dans lequel s’est engagé un consortium rassemblant des équipes de l’Inra Versailles-Grignon, de l’ENS et des chercheurs allemands et espagnols.

Arabis alpina, un génome envahi par des éléments transposables…

Couplant les tous derniers développements de la génomique et de la bioinformatique, les scientifiques ont séquencé le génome d’Arabis alpina ou Arabette des Alpes qui a la particularité d’être une plante pérenne supportant les températures extrêmes.

Ils ont ainsi mis en évidence que la grande taille de ce génome (375 Mb) par rapport à celui de sa proche cousine, A. thaliana (130 Mb) s’explique notamment par une accumulation importante d’éléments transposables - des séquences répétées et mobiles d’ADN capables de se multiplier de manière autonome dans le génome où elles n’ont généralement pas de fonction identifiée. Ces éléments transposables représentent plus de 50 % du génome d’A. alpina (contre 25 % chez A. thaliana). Les chercheurs ont également montré que ces éléments transposables dont l’insertion dans le génome d’A. alpina s’est prolongée durant plusieurs millions d’années, ont envahi l’espace intergénique, c’est-à-dire l’espace séparant les gènes, notamment à proximité de la région centrale des chromosomes (centromères). Ce phénomène semble avoir pour conséquence d’augmenter le nombre de gènes inclus dans un environnement où la recombinaison génétique est limitée.

… sous contrôle épigénétique

Chez les plantes, l’activité des éléments transposables dépend de la structure de l’ADN et notamment de sa compaction. Elle est déterminée par des modifications chimiques de certaines protéines de structure (les histones) et bases azotées (méthylation des cytosines). Ces modifications sont qualifiées d’épigénétiques car, si elles sont transmises à la descendance, elles n’affectent pas la séquence d’ADN.

Les scientifiques ont donc cherché à comprendre l’origine de l’invasion du génome d’A. alpina par des éléments transposables en comparant leurs contextes épigénétiques avec celui d’autres Arabettes, A. thaliana et A. lyrata.

De façon inattendue, ils ont ainsi révélé que, chez A. alpina, de nombreux éléments transposables se trouvent dans un contexte épigénétique particulier qui facilite leur expression et leur propension à envahir le génome. Certaines histones sont modifiées de façon singulière (méthylation particulière d’un acide aminé constitutif, la lysine) et les cytosines sont peu méthylées.

Au cours des divisions cellulaires, lors de la réplication de l’ADN, la méthylation des cytosines est habituellement recopiée sur le brin d’ADN néoformé par des enzymes spécifiques (DNA methyltransferases). Contre toute attente, ce mécanisme semble peu efficace chez A. alpina chez qui les éléments transposables sont donc moins méthylés. Chez A. alpina, certaines DNA methyltransferases auraient vraisemblablement divergé plus rapidement que l’ensemble des protéines de cette espèce, ce qui pourrait expliquer leur fonctionnement original.

Au cœur d’une étude comparative majeure

L’ensemble de ces travaux constitue une première en matière de génomique et épigénomique comparative autour de plusieurs plantes d’une même famille d’espèces. Ils permettent de rapprocher évolution des génomes et évolution de la régulation épigénétique tandis qu’ils mettent en lumière l’importance du contrôle de l’activité des éléments transposables et ses conséquences sur les génomes de plantes sur des échelles de temps évolutives. Ils renouvellent ainsi la lecture que l’on peut faire des génomes et de leur évolution et ouvrent un champ de recherche nouveau et prometteur couplant génomique et épigénétique.

Référence

Eva-Maria Willing et al. Lack of symmetric CG methylation and long-lasting retrotransposon activity have shaped the genome of Arabis alpina. Nature Plants, 2 février 2014.

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Dix petites plantes au service de la science

Présentes dans le monde entier mais surtout dans les régions tempérées de l'hémisphère Nord, les plantes de la famille des Brassicacées sont des plantes herbacées voire exceptionnellement des arbustes. Elles ont en commun de présenter quatre sépales et quatre pétales, disposés en croix, ce qui leur a valu longtemps le nom de Crucifères.

Au sein de cette famille, les scientifiques ont choisi 10 plantes pour lesquelles les données du génome étaient disponibles au début de leur étude :
Arabidopsis thaliana ou Arabette des dames ; A. lyrata ou Arabidopsis lyrée ; Arabis alpina ou Arabette des Alpes ; Aethionema arabicum ; Brassica rapa ou chou chinois ; Capsella rubella ou Bourse à Pasteur rougeâtre ; Eutrema salsugineum ; Leavenworthia alabamica; Sisymbrium irio et Schrenkiella parvula.