Le projet de séquençage du génome révèle de nouveaux secrets sur l'évolution des chats.

2 novembre 2023

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par Courtney Price, Université Texas A&M

Des chercheurs de l'École de médecine vétérinaire et des sciences biomédicales (VMBS) de l'Université Texas A&M, ainsi qu'une équipe interdisciplinaire de collaborateurs, ont découvert de nouvelles informations sur l'histoire de l'évolution des chats, expliquant comment les chats, y compris des espèces bien connues comme les lions, les tigres et les chats domestiques, ont évolué en différentes espèces et éclaircissant comment les différents changements génétiques chez les chats sont liés aux capacités de survie, comme la capacité à sentir les proies. En comparant les génomes de plusieurs espèces de chats, le projet, publié aujourd'hui dans Nature Genetics, a aidé les chercheurs à comprendre pourquoi les génomes de chats ont tendance à avoir moins de variations génétiques complexes (comme des réarrangements de segments d'ADN) que d'autres groupes de mammifères, tels que les primates. Il a également révélé de nouvelles idées sur les parties de l'ADN des chats les plus susceptibles d'évoluer rapidement et sur leur rôle dans la différenciation des espèces.

 "Notre objectif était de mieux comprendre comment les chats ont évolué et les bases génétiques des différences de traits entre les espèces de chats", a déclaré le Dr Bill Murphy, professeur de biosciences intégratives vétérinaires à la VMBS, spécialisé dans l'évolution des chats. "Nous voulions profiter de nouvelles technologies qui nous permettent de créer des cartes génomiques de chats plus complètes. "Nos découvertes ouvriront des portes pour les personnes étudiant les maladies félines, le comportement et la conservation", a-t-il déclaré. "Elles travailleront avec une compréhension plus complète des différences génétiques qui rendent chaque type de chat unique." Parmi les choses que les scientifiques cherchaient à mieux comprendre, il y avait la raison pour laquelle les chromosomes félins, qui sont des structures cellulaires contenant l'information génétique pour des traits tels que la couleur de la fourrure, la taille et les capacités sensorielles, sont plus stables que dans d'autres groupes de mammifères. "Nous savons depuis un certain temps que les chromosomes des chats entre les espèces se ressemblent beaucoup", a déclaré Murphy. "Par exemple, les chromosomes des lions et des chats domestiques diffèrent à peine. Il semble y avoir beaucoup moins de duplications, de réarrangements et d'autres types de variations que ce que l'on trouve couramment chez les grands singes." Dans l'ordre des primates, ce type de variation génétique a conduit à l'évolution de différentes espèces, y compris les êtres humains et les grands singes. 

"Les génomes des grands singes ont tendance à se rompre et à se réarranger, et même les génomes humains ont des régions très instables", a déclaré Murphy. "Ces variations peuvent prédisposer certaines personnes à avoir des conditions génétiques, telles que l'autisme et d'autres troubles neurologiques." La clé de cette variation entre les chats et les singes, comme l'a découvert Murphy, semble être la fréquence de quelque chose appelé duplications segmentaires - des segments d'ADN qui sont des copies très similaires d'autres segments d'ADN trouvés ailleurs dans le génome. "Les chercheurs du génome des primates ont pu relier ces duplications segmentaires aux réarrangements chromosomiques", a-t-il déclaré. Plus vous avez de duplications segmentaires dans votre ADN, plus il est probable que les chromosomes se réarrangent, et ainsi de suite. "Ce que nous avons découvert en comparant un grand nombre de génomes d'espèces de chats, c'est que les chats n'ont qu'une fraction des duplications segmentaires trouvées dans d'autres groupes de mammifères - les primates ont en fait sept fois plus de ces duplications que les chats. C'est une grande différence, et maintenant nous pensons comprendre pourquoi les génomes des chats sont plus stables", a-t-il ajouté. Bien que les chats n'aient peut-être pas autant de grands réarrangements génétiques dans leur ADN, ils ont encore beaucoup de différences. 

Grâce à leurs recherches, Murphy et ses collègues comprennent maintenant mieux quelles parties de l'ADN des chats causent ces variations, notamment les variations qui définissent la spéciation, ou les différences entre les espèces. "Il s'avère qu'il y a une grande région au centre du chromosome X où se produisent la plupart des réarrangements génétiques", a déclaré Murphy. "En fait, il existe un élément répétitif spécifique à l'intérieur de cette région appelé DXZ4, dont les preuves nous montrent qu'il est largement responsable de l'isolement génétique d'au moins deux espèces de chats, le chat domestique et le chat de la jungle." DXZ4 est ce que Murphy appelle une répétition satellite - ce n'est pas un gène typique qui code pour un trait physique comme la couleur de la fourrure, mais il aide à la structure tridimensionnelle du chromosome X et a probablement joué un rôle important dans la spéciation des chats.

Nous ne connaissons toujours pas précisément le mécanisme, mais en comparant tous ces génomes de chats, nous pouvons mieux mesurer le taux auquel DXZ4 a évolué chez une espèce par rapport à toutes les autres. Ce que nous avons appris, c'est que DXZ4 est l'une des parties du génome du chat qui évolue le plus rapidement ; il évolue plus rapidement que 99,5% du reste du génome, expliqua-t-il.

En raison du taux de mutation, nous avons pu démontrer pourquoi DXZ4 est probablement lié à la spéciation, dit Murphy.

En utilisant de nouvelles séquences de génome très détaillées, l'équipe a également découvert des liens plus clairs entre le nombre de gènes olfactifs, qui régissent la détection des odeurs chez les chats, et la variation du comportement social et de la relation avec leur environnement.

Étant donné que les chats sont des prédateurs qui comptent énormément sur l'odorat pour détecter leur proie, leur odorat est une partie très importante de leur identité, dit Murphy. Les chats forment une famille très diverse et nous avons toujours voulu comprendre comment la variation génétique joue un rôle dans la capacité des différentes espèces de chats à sentir dans leurs environnements respectifs.

Les lions et les tigres présentent une grande différence dans certains gènes odorants impliqués dans la détection des phéromones, qui sont des substances chimiques que différents animaux libèrent dans l'environnement pour communiquer des informations sur leur identité, leur territoire ou le danger. Nous pensons que cette grande différence est liée au fait que les lions sont des animaux très sociaux vivant en groupes familiaux, tandis que les tigres mènent une vie solitaire. Les lions peuvent avoir une dépendance réduite aux phéromones et aux autres odeurs parce qu'ils sont constamment entourés d'autres lions, ce qui se reflète dans le nombre moins élevé de ces types de gènes dans leur génome, dit-il.

Les tigres, en revanche, doivent être capables de sentir leurs proies sur de très vastes territoires et de trouver des partenaires.

En général, les tigres ont un répertoire olfactif et récepteur de phéromones plus large. Nous pensons que cela est directement lié à la taille de leurs territoires et à la variété d'environnements dans lesquels ils vivent, explique Murphy.

En revanche, les chats domestiques semblent avoir perdu une large gamme de gènes olfactifs.

S'il leur est moins nécessaire de parcourir de longues distances pour trouver ce dont ils ont besoin parce qu'ils vivent avec des personnes, il est logique que la sélection naturelle ne préserve pas ces gènes, dit-il.

Murphy a partagé que son example préféré du projet concerne les récepteurs d'odeurs du chat pêcheur, une espèce de chat sauvage adaptée à la vie aquatique en Asie du Sud-Est.

Nous avons pu montrer que les chats pêcheurs ont conservé de nombreux gènes pour détecter les odeurs transportées par l'eau, ce qui est un trait assez rare chez les vertébrés terrestres, dit-il. Toutes les autres espèces de chats ont perdu ces gènes spécifiques au fil du temps, mais les chats pêcheurs les ont toujours.

Cette nouvelle information sur les gènes olfactifs chez les chats a été rendue possible grâce à une nouvelle approche de séquençage du génome appelée trio binning, qui permet aux chercheurs de séquencer les régions les plus difficiles d'un génome.

Cette nouvelle technologie facilite également la séparation de l'ADN maternel et paternel.

Avec le trio binning, vous pouvez désormais prendre de l'ADN d'un hybride F1 - un animal dont l'ADN est réparti à parts égales entre des parents d'espèces différentes - et séparer proprement l'ADN maternel et paternel, ce qui vous donne deux ensembles complets d'ADN, un pour chaque parent, dit Murphy. Le processus est beaucoup plus simple et les résultats sont plus complets.

Une des conclusions les plus importantes du projet est que les espèces de chats peuvent être similaires à bien des égards, mais leurs différences sont importantes.

Ces différences nous montrent combien ces animaux sont parfaitement adaptés à leurs environnements naturels, dit Murphy. Ils ne sont pas interchangeables, et c'est une information précieuse pour les écologistes et les autres personnes travaillant à la préservation ou à la restauration des espèces dans leur habitat naturel.

Par exemple, on ne peut pas supposer que les tigres de Sumatra et de Sibérie sont les mêmes, dit-il. Leurs environnements sont très différents et ces populations de tigres ont probablement développé des adaptations génétiques spécialisées pour survivre dans ces endroits très différents.

Il est également important pour les scientifiques de réaliser que les parties des génomes les plus difficiles à assembler peuvent être la clé de la compréhension de systèmes corporels cruciaux tels que l'immunité et la reproduction.

Les gènes olfactifs ne sont pas les seuls qui ont été difficiles à séquencer et à étudier. Les scientifiques ont également eu du mal à séquencer les gènes immunitaires et reproducteurs, de sorte que les études antérieures manquent de ce type d'information. Imaginez essayer d'étudier une affection génétique chez les chats, les humains ou toute autre espèce, sans avoir toutes les pièces ; c'est pourquoi l'assemblage de génomes complets est important, dit Murphy.

Pour le moment, Murphy et son équipe continueront d'appliquer les technologies de séquençage et d'assemblage de génomes les plus avancées aux génomes de chats afin de recueillir autant d'informations que possible sur le monde des chats.

The study was conceptualized by Bill Murphy—VMBS professor of veterinary integrative biosciences at Texas A&M and Wes Warren—professor of genomics in the Bond Life Sciences Center at the University of Missouri. Additional collaborations involved researchers from the University of Washington, University College Dublin, the Institute for Systems Biology in Seattle, Louisiana State University and the Guy Harvey Oceanographic Center.

Journal information: Nature Genetics

Provided by Texas A&M University