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L'ADN mitochondrial, un outil pour le futur de l'étude de la biodiversité ?


Par Agnès - Posté le 07 décembre 2012

Note: cet article a été modifié pour tenir compte de deux publications plus anciennes décrivant une idée similaire, qui n'avaient pas été trouvées lors de notre recherche bibligraphique d'origine (Pollock et al. 2000, Timmermans et al. 2010). L'article dans PlosOne est en cours de correction.

Le séquençage de l'ADN a fait de très grands progrès au cours de la dernière décennie. Ce qu'on appelle les techniques de séquençage nouvelle génération ont complètement révolutionné le domaine et là où le séquençage du premier génome complet avait coûté plusieurs milliards et duré des années, il est maintenant possible d'obtenir les séquences en quelques jours, pour un coût de quelques milliers d'euros, avec un objectif affiché de passer en dessous de la barre des 1000 dollars dans les années, voire les mois, qui viennent.

Mais ces techniques ne sont pas si évidentes à appliquer pour l'étude de la biodiversité, où nous souhaitons utiliser quelques gènes seulement, mais pour un grand nombre d'espèces et d'individus, alors que les nouvelles techniques de séquençage sont plus adaptés pour un seul (ou un faible nombre) d'individus, mais un très grand nombre de marqueurs, chaque séquencage produisant un mélange de plusieurs centaines de millier (voire millions) de fragments de séquences. Il est possible d'appliquer des techniques traditionnelles de PCR et de marquer les individus séquencés simultanément, mais cela augmente le travail et le coût d'obtention des séquences et n'utilise pas à plein rendement la puissance de ces nouveaux séquenceurs. Nous revenons, dans un article qui a été publié le 14 décembre dans la revue d'accès ouvert PlosOne, sur une solution partielle pour permettre de faire efficacement du barcode et de la phylogénie moléculaire à l'aide des nouvelles techniques de séquençage, basée sur l'emploi du génome mitochondrial complet (Pollock et al. 2000, Timmermans et al. 2010).

Un génome dans les mitochondries ?

Les cellules des eucaryotes contiennent plusieurs génomes : non seulement le génome nucléaire, bien connu, mais également des génomes plus réduits, dans les chloroplastes et les mitochondries. Ces dernières sont des organelles impliquées dans la conversion de l'énergie en une forme utilisable par la cellule.

coupe schématique d'une mitochondrie
(longueur : quelques micromètres)

 

Le génome mitochondrial est de petite taille chez la plupart des métazoaires : les extrêmes atteignent 8000 et 40 000 paires de bases, mais la majorité des génomes mitochondriaux connus se situe entre 15 000 et 20 000 paires de bases. Il ne contient l'information que pour une partie des molécules nécessaires au fonctionnement de la mitochondrie, le reste étant codé par le génome nucléaire et importé dans la mitochondrie. Ce génome est généralement présent en de nombreux exemplaires dans la cellule, car il peut y avoir jusqu'à plusieurs milliers de mitochondries dans une seule cellule (mais ceci varie avec le type de cellule, l'espèce...).

Carte d'un génome mitochondrial

Diverses parties du génome mitochondrial sont très employées en phylogénie et identification : il contient non seulement le gène codant pour la cytochrome oxidase 1 (le gène retenu pour le Barcode of Life pour de nombreux groupes animaux), mais également d'autres marqueurs très employés, comme le gène codant pour le cytochrome b, ou bien les séquences de l'ADN ribosomique 12S et 16S (figure 1). Mais tous ces gènes sont traditionnellement séquencés un par un, avec plus ou moins de succès selon les groupes de Metazoaires. Obtenir le génome mitochondrial complet est complexe, long et relativement cher et doit être obtenu individu par individu en assemblant les morceaux obtenus un par un. Le génome mitochondrial complet a cependant été employé dans de nombreux articles de phylogénie, en particulier sur les téléostéens (Yamanoue et collègues 2008, Cunha et collègues 2009, Hua et collègues 2009, Miya et collègues 2010...) et s'est avéré extrêmement utile pour de nombreux groupes.

 

Une approche de grande échelle

Brièvement, cette approche repose sur les propriétés des génomes mitochondriaux et les séquences mitochondriales déjà présentes dans les bases de données.

Approche proposee
L'approche proposée pour le séquencage simultané de multiples génomes mitochondriaux. [1]

Les génomes mitochondriaux sont petits et peuvent être isolés en se basant uniquement sur leurs propriétés physiques, par exemple leur taille : il n'est pas forcément nécessaire d'employer des PCRs (qui peuvent mal fonctionner sur certains des organismes d'intérêt et qui exigent de connaître une partie de la séquence). Mais pour exploiter les propriétés des nouvelles techniques de séquencage, il faut pouvoir combiner beaucoup d'individus lors d'une seule manipulation et il faut ensuite pouvoir retrouver de quel individu provient chaque séquence... Pour cela, il est possible d'intégrer un marquage pour chaque individu séquencé dans un même séquençage, mais les manipulations sont lourdes. Cette approche repose sur le fait ne séquencer ensemble que des spécimens d'espèces assez éloignées pour que leurs génomes mitochondriaux soient bien différents entre eux (Pollock et al. 2000) : les séquences mitochondriales évoluent rapidement, cette contrainte n'est en fait pas très compliquée à assurer. Une fois que les génomes mitochondriaux ont été assemblés (par un des logiciels d'assemblage de génome courants), il est possible de les réattribuer à leur spécimen d'origine en employant le "marquage" intégré dans le génome (Timmermans et al. 2010). Il suffit d'utiliser un des gènes mitochondriaux bien présents dans les bases de données de séquence, par exemple la cytochrome oxidase 1. Etant donné que chaque espèce n'est présente qu'une fois dans le séquençage, identifier l'espèce permet d'identifier l'échantillon... Timmermans et collègues ont appliqué cette approche avec succès sur des coléoptères, en séquencant également avec des méthodes classiques pour obtenir les séquences de références servant à identifier les génomes.

Cette approche permet de séquencer les génomes mitochondriaux complets rapidement et pour un coût qui sera inférieur à celui d'un seul gène mitochondrial, permettant ainsi d'employer le génome mitochondrial complet là où il était auparavant nécessaire de se contenter d'un seul de ses gènes (Pollock et al. 2000, Timmermans et al. 2010).

 

Références externes

Regina L Cunha, Cristina Grande, Rafael Zardoya (2009). Neogastropod phylogenetic relationships based on entire mitochondrial genomes. BMC Evol Biol. 2009; 9: 210. http://dx.doi.org/10.1186/1471-2148-9-210

Jimeng Hua, Ming Li, Pengzhi Dong, Ying Cui, Qiang Xie, Wenjun Bu (2009). Phylogenetic analysis of the true water bugs (Insecta: Hemiptera: Heteroptera: Nepomorpha): evidence from mitochondrial genomes. BMC Evol Biol. 2009; 9: 134. http://dx.doi.org/10.1186/1471-2148-9-134

Masaki Miya, Theodore W Pietsch, James W Orr, Rachel J Arnold, Takashi P Satoh, Andrew M Shedlock, Hsuan-Ching Ho, Mitsuomi Shimazaki, Mamoru Yabe, Mutsumi Nishida (2010). Evolutionary history of anglerfishes (Teleostei: Lophiiformes): a mitogenomic perspective. BMC Evol Biol. 2010; 10: 58. http://dx.doi.org/10.1186/1471-2148-10-58

Pollock DD, Eisen JA, Doggett NA, Cummings MP. (2000). A case for evolutionary genomics and the comprehensive examination of sequence biodiversity. Molecular Biology and Evolution 7: 1776-1788. http://mbe.oxfordjournals.org/content/17/12/1776.long

Timmermans MJ, Dodsworth S, Culverwell CL, Bocak L, Ahrens D, Littlewood DT, Pons J, Vogler AP. (2010). Why barcode? High-throughput multiplex sequencing of
mitochondrial genomes for molecular systematics. Nucleic Acids Res. 2010
Nov;38(21):e197. http://dx.doi.org/10.1093/nar/gkq807.

Yusuke Yamanoue, Masaki Miya, Keiichi Matsuura, Masaya Katoh, Harumi Sakai, Mutsumi Nishida (2008). A new perspective on phylogeny and evolution of tetraodontiform fishes (Pisces: Acanthopterygii) based on whole mitochondrial genome sequences: Basal ecological diversification? BMC Evol Biol. 2008; 8: 212. http://dx.doi.org/10.1186/1471-2148-8-212


Références