Les ovules et les spermatozoïdes sont des cellules spéciales pour de nombreuses raisons, mais l’une des caractéristiques qui les distinguent est que, contrairement à d’autres cellules humaines, qui ont deux copies de 23 chromosomes, l’une de la mère et l’autre du père, ces cellules sexuelles, ou gamètes, n’en ont qu’un.
Des recherches antérieures, dirigées par Michael Lampson de la Penn’s School of Arts & Sciences, ont montré que ces chromosomes ne sont pas transmis aux gamètes par hasard ; certains facteurs peuvent faire pencher la balance, ce qui augmente la probabilité que l’une des deux copies soit transmise à la génération suivante.
Dans un nouvel article, Lampson et ses collègues découvrent une force à l’œuvre pour équilibrer les balances pendant la méiose, le processus de division cellulaire qui donne naissance aux gamètes, ce qui rapproche les chances de 50-50 qu’un chromosome particulier pénètre dans un ovule viable.
L’ouvrage, publié dans la revue Cellule, constate que, bien qu’il existe un mécanisme pour donner le dessus à certains chromosomes pendant la méiose, une voie parallèle séparée agit pour supprimer cet avantage. Les protéines qui agissent dans les deux voies semblent être dans une course aux armements évolutive, disent les chercheurs, potentiellement pour éviter la possibilité d’un héritage chromosomique biaisé conduisant à des erreurs et des anomalies dans les œufs, comme l’aneuploïdie, ou ayant un nombre anormal de chromosomes, qui peut entraîner des malformations congénitales.
Si nous considérons ces chromosomes qui pénètrent dans l’œuf comme étant égoïstes, l’égoïsme implique qu’ils maximisent leur propre transmission à un certain prix pour l’organisme dans son ensemble. S’il y a un coût, alors il pourrait y avoir d’autres gènes sous pression pour supprimer les gènes égoïstes ou supprimer ce coût. »
Michael Lampson, École des arts et des sciences de Penn
Le travail actuel visait à rechercher cette voie suppressive, en s’appuyant sur un article de 2017 dans Science dans lequel Lampson et des membres de son laboratoire ont exposé le mécanisme par lequel une asymétrie apparaît dans le fuseau méiotique, une structure composée de microtubules qui attirent les chromosomes vers les côtés opposés d’une cellule avant la division. Cette asymétrie a conduit à des biais dans la transmission des chromosomes. Ils ont découvert que les centromères « égoïstes », la partie du chromosome qui s’attache au fuseau, étaient plus susceptibles que les centromères « altruistes » de se détacher et de se rattacher au côté de la cellule qui était destiné à devenir un œuf viable plutôt que le corps polaire, qui est généralement dégradé.
Puis, dans un article de 2019 en Cellule, les chercheurs ont présenté plus de détails sur le processus. Ils ont découvert que les centromères égoïstes étaient capables de biaiser la transmission en recrutant certaines protéines qui déstabilisaient l’attachement au fuseau, augmentant à nouveau le risque de se retrouver dans l’œuf plutôt que dans le corps polaire. Ces protéines ont joué un rôle en permettant le détachement des centromères du fuseau.
« Nous avions acquis cette compréhension du fonctionnement de l’égoïsme », dit Lampson, donc dans le nouvel article, « nous voulions comprendre comment fonctionne la suppression ».
Des recherches antérieures avaient montré que certaines des protéines agissant sur le centromère évoluaient rapidement chez diverses espèces animales. Lampson et ses collègues ont émis l’hypothèse que cette évolution rapide pourrait être la preuve d’une « course aux armements » entre les facteurs égoïstes et suppressifs, semblable à ce qui est observé dans le système immunitaire, qui peut rapidement évoluer pour répondre aux menaces changeantes des agents pathogènes.
« Il était surprenant de trouver tout un tas de protéines à évolution rapide fonctionnant au centromère, car vous vous attendriez probablement à ce qu’elles soient hautement conservées car elles sont si importantes dans la division cellulaire », explique Lampson. « Mais c’est une signature de la course aux armements, tout comme nous le voyons dans le système immunitaire : si des centromères égoïstes vont tricher, il y a probablement des protéines qui évoluent pour freiner cette suppression. »
Les chercheurs savaient déjà que les protéines effectrices qui biaisent la transmission des chromosomes étaient recrutées dans le centromère par une voie connue sous le nom de voie kinétochore. Pour trouver une voie suppressive, ils se sont tournés vers l’hétérochromatine, un ADN très compact, qui est également connu pour recruter des protéines dans le centromère. Pour tester si la voie de l’hétérochromatine pouvait compenser l’effet de biais de la voie du kinétochore, les chercheurs ont modifié sélectivement une enzyme qui agissait dans chaque voie.
Lorsqu’ils ont modifié la protéine CENP-C, perturbant la voie du kinétochore, ils ont observé le biais entre le déclin du centromère égoïste et désintéressé, les chromosomes s’alignant de manière plus symétrique dans la cellule avant la fin de la méiose. En revanche, lorsqu’ils ont supprimé la protéine CENP-B, qui est impliquée dans le recrutement de protéines dans la voie de l’hétérochromatine, l’asymétrie dans les chromosomes est devenue plus prononcée, les centromères égoïstes étant autorisés à biaiser la transmission des chromosomes à l’œuf.
« Il semble y avoir ces changements subtils à l’œuvre », dit Lampson, « parce que ces deux voies sont essentielles. Vous ne pouvez pas tuer la voie du kinétochore car elle est fondamentale pour la division cellulaire, mais en même temps vous voulez réduire l’opportunité pour que les centromères soient égoïstes. L’évolution semble donc agir pour répondre à ces pressions simultanées. «
Les découvertes éclairent le champ de bataille évolutif présent dans notre propre corps, dit Lampson. « Je pense qu’il est vraiment intéressant qu’il y ait ces composants égoïstes de nos propres génomes qui ont des rôles essentiels. Ces aspects très, très fondamentaux de notre biologie cellulaire reflètent en fait des pressions concurrentes. »
Lui et ses collègues espèrent continuer à explorer dans le travail de suivi si les coûts potentiels des facteurs égoïstes peuvent entraîner des erreurs importantes dans la production de gamètes ou d’autres problèmes de méiose. « Les femelles ne font pas beaucoup d’œufs », dit Lampson, « donc vous penseriez que chacun serait précieux, et nous ne voulons pas faire d’erreurs. Mais des erreurs se produisent parfois; parfois trop de chromosomes entrent. Alors, les erreurs sont-elles en quelque sorte liées à ces facteurs égoïstes ? »