Dernière mise à jour: novembre 2023
Comparative genomicsQuest for orthologs
Banana split - Histoire
Saviez-vous que nous partageons environ 98 % de nos gènes avec les chimpanzés ?
Mais combien avec la banane ?
Contexte
Nous partageons environ 98 % de nos gènes avec les chimpanzés . Les chimpanzés sont souvent considérés comme nos "cousins" les plus proches. Cela paraît évident pour quiconque a vu le film ‘La Planète des singes’ : les chimpanzés et les humains ont de nombreuses caractéristiques en commun !
Mais saviez-vous que nous partageons également une partie de nos gènes avec la banane ? L'existence de ces gènes 'communs' est une preuve des liens de parenté qui existent entre tous les organismes vivants.
Une vidéo pour en savoir plus en moins de 3 minutes sur nos liens de parentés avec les singes et les bananes.
Fruit d'une collaboration avec PopScience, Heidi news.
L’homme, le chimpanzé et la banane
L'homme et le chimpanzé ont un pourcentage élevé de gènes en commun, car leur ancêtre commun vivait il y a environ 6 millions d'années.
Les ancêtres communs à l'homme et au bananier vivaient il y a environ 1,5 milliard d'années – juste avant le ‘banana split’ ('split' = séparation en anglais).
On peut donc s'attendre à ce qu'il y ait beaucoup moins de gènes en commun entre l’homme et la banane !
Quel pourcentage 'banane' êtes-vous ?
Une simple recherche sur internet vous mènera à de nombreux sites web qui mentionnent que l'homme et la banane ont entre 17 et 50 % d'ADN en commun.
Est-ce correct ? Pourquoi ces chiffres sont-ils si différents ? Que signifie "un pourcentage d'ADN en commun" ? Que signifie "un pourcentage de gènes en commun" ? Comment calculer ce fameux pourcentage ?
Source : "Neil Saunders: 50% de bananes" - "Les humains partagent-ils 50% de leur ADN avec les bananes ?" - "The banana conjecture"
De l’ADN en commun…ou des gènes en commun ?
Différents types de comparaisons peuvent être faites, différents pourcentages sont obtenus.
1. Comparer les séquences des génomes entiers
Une façon de faire serait de calculer le pourcentage d’ADN en commun entre l’homme et la banane en alignant les 2 génomes en entier. Nous pourrions ainsi comparer TOUT le texte composé de 3 milliards de lettres A, T, C et G qui correspond à la séquence du génome humain avec TOUT le texte de 472 millions de lettres A, T, C et G qui correspond au génome de la banane et chercher ainsi le % de similarité !
Ces comparaisons ont été faites en comparant le génome humain avec les génomes entiers d’autres espèces. Résultats : en comparant les génomes en entier, le génome humain est 91 % similaire à celui du chimpanzé, 33 % similaire à celui de la souris et 1 % similaire à celui du poisson zèbre.
Source : Ensembl Compara (Human-Chimp, Human-Mouse, Human-Zebrafish)
Plus les espèces sont éloignées dans l’évolution, plus le pourcentage du génome qui peut être aligné devient faible. Pour les plantes, ce pourcentage sera donc inférieur à 1 % !
Aligner le génome entier humain avec celui de la banane (qui est 6 fois plus petit) est donc d’une tâche titanesque… et qui ne fait pas forcément du sens dans notre cas !
Pourquoi ?
Un peu à l’image des différents chapitres des livres de recettes, les génomes sont composés de différentes régions, qui ont chacune des fonctions biologiques spécifiques. Ces régions ne sont pas forcément réparties dans le même ordre dans les génomes des différentes espèces. Certaines ont été dupliquées ou ont disparu au cours du temps. Et il est essentiel de comparer ce qui est comparable !
Pour reprendre l’image des livres de recettes, il serait inutile de comparer la recette d’un gâteau au chocolat proposée par Auguste Escoffier avec la recette d’une mayonnaise ou du Banana split de Paul Bocuse, même si elles sont situées à la même page !
Mais surtout, toutes les régions d’un génome n’évoluent pas à la même vitesse ! Les régions codant pour les protéines, les gènes – et en particulier les régions des gènes appelées exons – sont soumises à une pression de sélection plus importante et accumulent moins de mutations au fil du temps comparées aux régions du génome situées entre les gènes ou aux introns.
2. Comparer les séquences des régions codantes (exons)
Un gène est une région de l’ADN qui code le plus souvent pour une protéine. Chez les eucaryotes, un gène est composé de régions codantes (exons) et de régions non codantes (introns).
Les régions codantes (exons) sont généralement plus conservées entre les espèces. Elles ne représentent qu’un très faible pourcentage de la séquence ADN du génome entier (moins de 2 % chez l’homme), mais elles sont comparables et leur comparaison permet d’obtenir le pourcentage de conservation le plus élevé possible…et ce pourcentage de conservation est celui qui fait le plus de sens dans notre histoire !
Ces calculs de ‘% de la séquence ADN des exons de l’homme ‘couverts’ par la séquence ADN des exons de l’autre espèce (% coverage)’ ont été faits pour les espèces suivantes : homme-chimpanzé (~100 %), homme-souris (97 %) et homme-poisson zèbre (58 % ).
Comparer ce qui est comparable: un exemple
Voici 2 séquences de nucléotides différentes retrouvées dans la génome de la banane. Ces 2 séquences ont été comparées avec la séquence du génome humain. Les nucléotides qui ‘mappent’ entre l’homme et la banane sont en bleu.
A gauche : la séquence correspond à une région non codante du génome de la banane. Les mutations accumulées dans les régions non-codantes au cours du temps ont mis à mal la capacité des programmes bioinformatiques à détecter des zones ‘alignables’ : le calcul du % de similarité est très compliqué.
A droite : la séquence correspond à une région codante du génome de la banane, connue pour être orthologue au gène TBB8 humain. Les nucléotides en bleu sont correctement ‘mappés’ entre les 2 espèces et le calcul du % de similarité qui en découle fait du sens.
3. Chercher le pourcentage de gènes en commun
Afin de calculer le pourcentage d’ADN commun entre l’homme et la banane, nous avons choisi encore une autre approche: nous allons déterminer le pourcentage de gènes qui sont ‘communs’ aux 2 espèces.
Si nous reprenons l’image du livre de recettes: au lieu de comparer les recettes (gènes communs), nous allons comparer le ‘produit’ des recettes, c’est-à-dire les protéines (protéines communes).
La quête des orthologues entre l’homme et la banane
Les programmes que nous utilisons ne comparent pas les séquences ADN des gènes (exons), mais les séquences en acides aminés des protéines correspondantes. Chaque gène est associé avec une séquence de protéine ‘représentative’ ce qui permet d’extrapoler le nombre de protéines orthologues au nombre de gènes orthologues.
Nous avons comparé deux à deux 20’430 séquences de protéines de l’homme avec 36’439 séquences de protéines de la banane.
Nous avons testé trois méthodes bioinformatiques pour trouver les orthologues : OMA, OrthoInspector, et BLAST. Plusieurs critères statistiques – en plus de la similarité entre les séquences – permettent de trouver les paires de protéines orthologues.
Voici une partie d’un alignement entre une protéine de l’homme et une protéine de banane ‘orthologue’ (gène TUBB8). Trouvez les différences ! (source)
Nous avons ensuite divisé le nombre d’orthologues trouvés par le nombre de gènes total dans le génome de chacune des 2 espèces et fait une moyenne afin d’obtenir le pourcentage de gènes partagés.
A vous de jouer
Chaque rond représente ~ 1’000 gènes.
Les ronds jaunes représentent les gènes communs à l’homme et la banane.
Question :
1. Quel % de gènes de l’homme sont communs avec ceux de la banane ?
2. Quel % de gènes de la banane sont communs avec ceux de l’homme ?
Un gène donné peut être présent en plusieurs copies chez une autre espèce : c'est la raison pour laquelle le nombre de ronds jaunes (orthologues) n'est pas le même entre l'homme et la banane !Réponse
5’000 gènes / 20’000, soit 25 % des gènes humains sont ‘communs’ avec ceux de la banane.
9’000 gènes / 36’000, soit 25 % des gènes de la banane sont ‘communs’ avec ceux de l’homme.
Pour les calculs, nous avons choisi de faire la moyenne entre ces 2 pourcentages.
Remarque : on aurait pu s’attendre à avoir le même nombre de billes jaunes dans les 2 bocaux. Mais voilà…, un même gène peut être présent en copies multiples chez l’autre espèce et inversément. Par exemple, le gène TUBB8 est présent en une seul copie chez l’homme, mais il existe 13 copies ‘orthologues’ dans le génome de la banane.
Résultats des expert.e.s
Selon les méthodes utilisées, entre 3’400 et 4’900 gènes sont communs entre l’homme et la banane. Cela représente entre 17 % et 25 % des gènes humains.
Nous avons 98 % de gènes en commun avec le chimpanzé, 94 % de gènes en commun avec la souris, 72 % de gènes en commun avec le poisson zèbre … et donc environ 25 % de gènes en commun avec la banane (méthode OMA).
Ce pourcentage de conservation a été calculé en analysant moins de 2 % du génome humain (régions codantes / exons), mais il est loin d’être négligeable !
Cela signifie que ces gènes orthologues homme/banane ont été conservés pendant 1,5 milliard d’années d’évolution !
Amusez-vous à comparer les espèces de votre choix et à créer des mèmes fort sympatiques sur OhMyGenes.org !
Quelle est la fonction des orthologues homme / banane ?
Nous avons cherché les fonctions biologiques associées à chacun des gènes orthologues. Ces informations sont stockées dans des banques de données spécialisées, comme UniProtKB.
Sans trop de surprises, les protéines en commun entre l’homme et la banane sont principalement impliquées dans des processus métaboliques de base tels que l’expression des gènes, le métabolisme des lipides ou la modification de l’ARN (épissage).
Ces fonctions biologiques sont essentielles à la vie de tous les organismes eucaryotiques !
