Questions ouvertes : quels sont les gènes sous-jacents à la coévolution antagoniste ?
Dès 1863, Charles Darwin avait évoqué l’idée d’un modèle de coévolution, suggérant que la forme inhabituelle de la fleur de l’orchidée Madagascar Star était le résultat de ses interactions à long terme avec un papillon de nuit faucon hautement spécialisé. Depuis lors, de nombreux phénomènes biologiques ont été attribués à la coévolution : traits exagérés d’attaque et de défense, sélection sexuelle, biodiversité et évolution du système immunitaire, reflétée dans l’extraordinaire diversité génétique des gènes R chez les plantes et du CMH chez les vertébrés à mâchoires. La justification de l’attribution de ces traits à la coévolution découle de l’idée d’adaptation réciproque : les changements dans une espèce intensifient la sélection sur l’espèce antagoniste, et vice versa. Cette idée implique que le changement dans une espèce est spécifique aux caractéristiques biologiques de l’autre espèce. Ces interactions conduisent ainsi au haut degré de spécificité couramment observé dans les interactions antagonistes entre hôtes et parasites.
La meilleure preuve de la coévolution provient d’études sur les changements phénotypiques, où un antagoniste est testé, à différents moments, dans son interaction avec des isolats de l’autre antagoniste, une approche utilisée avec succès chez les bactéries, les animaux et les plantes . Si ces expériences de décalage temporel sont des outils puissants pour détecter la coévolution, elles ne révèlent généralement pas le mécanisme génétique qui sous-tend le processus. Combien de gènes sont impliqués dans les interactions hôte-parasite, et comment sont-ils organisés dans le génome ? Comment interagissent-ils, et quelle est la spécificité de ces interactions ? Quelle forme de sélection opère sur les gènes ? Les gènes et leur mécanisme d’action n’ont pas encore été identifiés pour un seul cas dans la nature, même si, au cours des 50 dernières années, de nombreux modèles génétiques, verbaux et mathématiques, ont été proposés pour décrire les processus de génétique des populations en jeu. Ces modèles, qui décrivent une énorme diversité de scénarios de coévolution, ont montré que le processus de coévolution dépend fortement, entre autres, de la composition génétique des populations, de la source de variation génétique (mutations, flux de gènes, recombinaison), de la taille et de la structure des populations en coévolution, ainsi que de l’architecture génétique des gènes en interaction et de leurs effets sur le phénotype. Les premiers modèles se concentraient sur une génétique simple avec un ou deux loci, tandis que les modèles ultérieurs incorporaient plus de loci ou supposaient même une hérédité polygénique. À partir de cette diversité de modèles, il est devenu évident que les évaluations phénotypiques ne permettraient d’identifier les mécanismes génétiques de la coévolution que dans des cas très simplifiés et qu’il est très peu probable que ces évaluations tiennent la route dans des conditions naturelles. Il est également devenu évident que ce ne sont pas les espèces qui coévoluent, mais les gènes et leurs phénotypes associés. Cela souligne la nécessité d’identifier les gènes pertinents pour comprendre les mécanismes du processus de coévolution.
Deux des modèles génétiques les plus fréquemment discutés sont le modèle du balayage sélectif et le modèle de la reine rouge . La coévolution par balayage sélectif repose sur l’idée que de nouvelles mutations balaient jusqu’à la fixation dans les populations de deux espèces en coévolution. Les mutations peuvent se produire n’importe où dans le génome et augmenter en fréquence, tant qu’elles apportent un avantage à leur porteur. Il n’est pas nécessaire que les mutations alternent dans les deux populations. Une population peut avoir de multiples mutations balayant successivement, et, dans les organismes sexués, de multiples mutations peuvent même balayer jusqu’à la fixation dans différentes régions du génome en même temps.
En revanche, le modèle de la Reine Rouge est basé sur une architecture génétique très spécifique. Il suggère que les allèles de quelques loci chez l’hôte et chez le parasite répondent différemment à l’antagoniste, en fonction des génotypes en interaction. Un allèle A chez l’hôte peut conférer une résistance au parasite de type A, mais une sensibilité au parasite de type B, tandis qu’un autre allèle (B) peut faire l’inverse. Cette architecture génétique peut empêcher la fixation des allèles sur des échelles de temps évolutives. Étant donné que les parasites suivent les allèles de l’hôte qui causent la sensibilité, un processus de sélection négative en fonction de la fréquence décalé dans le temps se produit, entraînant des cycles dans les fréquences des allèles. À long terme, ce processus équilibre la sélection et maintient la variation génétique aux loci de la maladie. Comme les allèles A et B peuvent être maintenus par une sélection équilibrée pendant de longues périodes, ils sont susceptibles d’évoluer, et des balayages sélectifs peuvent remplacer A par A’ et B par B′. Pour rendre les choses plus compliquées, la coévolution par balayage sélectif et par sélection négative dépendant de la fréquence peut se produire en même temps dans différentes parties du génome, tant que la recombinaison génétique découple leur dynamique.
Bien que les études expérimentales et observationnelles des phénotypes aient rapporté des preuves indirectes pour les modèles du balayage sélectif et de la Reine Rouge, il est difficile de déduire les modèles génétiques sous-jacents à partir de phénotypes coévolutifs. En effet, étant donné la complexité des systèmes coévolutifs naturels, cela semble difficilement possible. D’autre part, il existe peu de preuves génétiques directes. Dans quelques cas, on a observé la propagation de mutations (supposées impliquées dans la coévolution) dans des populations d’hôtes ou de parasites, mais pas dans le contexte de la coévolution. Et aucun cas de dynamique cyclique de la fréquence des allèles en association avec la maladie n’a encore été observé chez les hôtes et les parasites. Ainsi, le soutien actuel aux modèles génétiques de coévolution est plutôt faible et surtout circonstanciel. D’autre part, les analyses du génome de divers organismes ont révélé que les régions génomiques présumées impliquées dans les interactions hôte-parasite figurent parmi les gènes les plus polymorphes et les plus rapidement évolutifs des génomes. Cela a donné lieu à des recherches intensives sur les causes et les conséquences de cette diversité, avant même qu’un lien potentiel avec les maladies parasitaires ne soit évident. Il est maintenant facile de trouver de telles régions même dans les organismes non-modèles, mais dans la plupart des cas, nous ne pouvons que spéculer sur les processus derrière les modèles observés.
Répondre à la question « Quels sont les gènes sous-jacents à la coévolution antagoniste ? » nous aiderait à surmonter cette lacune. Pour vérifier les modèles génétiques de coévolution, nous devons trouver les gènes chez les deux antagonistes, comprendre leur interaction (fonction), et suivre leur dynamique temporelle. Avec ces informations, nous pouvons placer l’étude de la coévolution dans un cadre de génétique des populations. Après tout, les modèles génétiques de coévolution sont fermement ancrés dans la génétique des populations.
Comment pouvons-nous trouver les gènes sous-jacents à la coévolution ? Les approches traditionnelles pour trouver les gènes associés aux phénotypes des maladies utilisent diverses formes de panels de cartographie, de cadres d’association du génome entier et de protéomique. Ces approches nécessitent un bon contrôle des hôtes et des parasites, car des approches distinctes sont généralement nécessaires pour les deux antagonistes. De nouveaux développements passionnants permettent des approches alternatives basées sur la co-génomique – l’étude simultanée des génomes de l’hôte et du parasite afin de localiser les régions génomiques qui montrent une certaine forme d’association entre les deux antagonistes. Ces nouvelles approches nous permettent de découvrir les interactions entre le génotype de l’hôte et le génotype du parasite et les associations avec les phénotypes liés à la maladie avec une plus grande précision que les approches basées uniquement sur les génomes de l’hôte ou du parasite. En outre, il est possible d’obtenir des instantanés des associations hôte-parasite à partir de populations au cours de leurs interactions naturelles.