Une nouvelle découverte explique ce qui détermine le nombre et la position des échanges génétiques qui se produisent dans les cellules sexuelles, comme le pollen et les œufs chez les plantes, ou le sperme et les œufs chez l’homme.
Lorsque les cellules sexuelles sont produites par une division cellulaire spéciale appelée méiose, les chromosomes échangent de grands segments d’ADN. Cela garantit que chaque nouvelle cellule a une constitution génétique unique et explique pourquoi, à l’exception des jumeaux identiques, deux frères et sœurs ne sont jamais complètement identiques génétiquement. Ces échanges d’ADN, ou croisements, sont essentiels pour générer une diversité génétique, moteur de l’évolution, et leur fréquence et leur position le long des chromosomes sont étroitement contrôlées.
Le co-premier auteur de l’étude, le Dr Chris Morgan, explique l’importance de ce phénomène : « Le positionnement croisé a des implications importantes pour l’évolution, la fertilité et la reproduction sélective. En comprenant les mécanismes qui déterminent le positionnement croisé, nous sommes plus susceptibles de découvrir des méthodes pour modifier le positionnement de croisement pour améliorer les technologies actuelles de sélection végétale et animale. »
Malgré plus d’un siècle de recherche, le mécanisme cellulaire qui détermine où et combien de croisements se forment est resté pour la plupart mystérieux, un casse-tête qui a fasciné et frustré de nombreux scientifiques éminents. L’expression « interférence croisée » a été inventée en 1915 et décrit l’observation selon laquelle lorsqu’un croisement se produit à un endroit sur un chromosome, il inhibe la formation de croisements à proximité.
En utilisant une combinaison de pointe de modélisation mathématique et de microscopie à super-résolution « 3D-SIM », une équipe de chercheurs du John Innes Center a résolu ce mystère centenaire en identifiant un mécanisme qui garantit que les nombres et les positions de croisement sont « justes » : pas trop, pas trop peu et pas trop rapprochés.
L’équipe a étudié le comportement d’une protéine appelée HEI10 qui joue un rôle essentiel dans la formation de croisements dans la méiose. La microscopie à super-résolution a révélé que les protéines HEI10 se regroupent le long des chromosomes, formant initialement de nombreux petits groupes. Cependant, au fil du temps, les protéines HEI10 se concentrent uniquement dans un petit nombre de grappes beaucoup plus grandes qui, une fois qu’elles atteignent une masse critique, peuvent déclencher la formation de croisements.
Ces mesures ont ensuite été comparées à un modèle mathématique qui simule ce clustering, basé sur la diffusion des molécules HEI10 et des règles simples pour leur clustering. Le modèle mathématique était capable d’expliquer et de prédire de nombreuses observations expérimentales, y compris le fait que la fréquence de croisement pouvait être modifiée de manière fiable en modifiant simplement la quantité HEI10.
Notre étude montre que les données provenant d’images de super-résolution de cellules reproductrices d’Arabidopsis sont cohérentes avec un modèle mathématique de « grossissement médié par la diffusion » pour la structuration croisée chez Arabidopsis. Le modèle nous aide à comprendre la structuration des croisements le long des chromosomes méiotiques. »
Dr John Fozard, co-premier auteur
Le travail s’appuie sur l’héritage du John Innes Center consistant à utiliser des plantes comme organismes modèles pour étudier les aspects conservés et fondamentaux de la génétique. Ce même processus a également été étudié par les anciens du JIC JBS Haldane et Cyril Darlington dans les années 1930. Le modèle prend également en charge les prédictions faites par un autre ancien élève du JIC, Robin Holliday, dans les années 1970.
L’auteur correspondant, le professeur Martin Howard, ajoute : « Ce travail est un excellent exemple de recherche interdisciplinaire, où des expériences de pointe et une modélisation mathématique étaient toutes deux nécessaires pour déverrouiller le cœur du mécanisme. Une voie future passionnante sera d’évaluer si notre modèle peut expliquer avec succès la structuration croisée dans d’autres organismes divers. »
Cette recherche sera particulièrement utile pour les cultures céréalières, telles que le blé, dans lesquelles les croisements sont principalement limités à des régions spécifiques des chromosomes, empêchant ainsi le plein potentiel génétique de ces plantes d’être disponible pour les sélectionneurs.
