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Famille multigénique des gènes homéotiques

Par Naoum Salamé Dernière modification 25/07/2021 09:45

Famille multigénique des gènes homéotiques

Informations scientifiques

Les gènes homéotiques interviennent au cours du développement embryonnaire, notamment pour diriger l’expression d’autres gènes et permettre ainsi la mise en place des différents organes ; on les qualifie de gènes « maîtres » ou gènes « architectes ». Ils déterminent la disposition des organes le long de l’axe antéropostérieur.

Les gènes homéotiques sont des gènes régulateurs (activation ou inhibition) de l’expression d’autres gènes. Ce sont des gènes à homéoboîte (ou homeobox), c’est-à-dire qu’ils codent pour une protéine dont un domaine est très conservé au cours de l’évolution. Ce domaine protéique, appelé homéodomaine, a été découvert en 1983 ; il comporte soixante acides aminés et sa structure secondaire comporte trois hélices formant le motif HLH (Helix Loop Helix). Ce domaine se fixe à l’ADN, ce qui contribue à ouvrir localement l’ADN pour permettre la transcription. La figure ci-dessous a été obtenue avec le logiciel RasTop.

La figure ci-dessous a été obtenue avec le logiciel RasTop.

La figure ci-dessous a été obtenue avec le logiciel RasTop.

Les gènes homéotiques sont organisés en complexes homéotiques chez les animaux.

Les complexes homéotiques

La disposition et l’organisation des gènes homéotiques sont bien connues chez deux organismes : la Drosophile et la Souris.

Chez la Drosophile, les gènes homéotiques forment le complexe Hom-C porté par le chromosome 3 ; ce complexe est composé de deux groupes de gènes : le groupe Antennapedia et le groupe Bithorax, chacun de ces groupes comprenant plusieurs gènes :

  • Antennapedia : gènes lab (labial), Antennapedia (antp), Sex comb reduced (Scr), Deformed (dfd), proboscipedia (pb) ;
  • Bithorax : gènes ultrabithorax (ubx), abdominal A (AbdA) et abdominal B (AbdB).

Chez la Souris, les gènes homéotiques forment quatre complexes Hox répartis sur quatre chromosomes :

  • Complexe des gènes Hox A sur le chromosome 6 ;
  • Complexe des gènes Hox B sur le chromosome 11 ;
  • Complexe des gènes Hox C sur le chromosome 15 ;
  • Complexe des gènes Hox D sur le chromosome 2.

Il y a colinéarité entre la disposition des gènes homéotiques sur les chromosomes et les régions du corps dans lesquelles ils s’expriment : en parcourant l’ADN de 3’ vers 5’, on trouve des gènes dont les lieux d’action s’échelonnent de l’avant vers l’arrière de l’animal.

Lors de l’embryogenèse, la combinaison des produits de plusieurs gènes Hox donne une identité relative aux cellules embryonnaires le long de l’axe antéro-postérieur. Chaque cellule embryonnaire est affectée d’une valeur positionnelle, qui résulte d’une combinatoire de plusieurs gènes Hox.

Pistes d’exploitation pédagogique

Fichiers des séquences

HomeoBoxFamilleHomme.edi : séquences de gènes chez l’Homme et la Drosophile ;

HomeoDomFamilleHomme.edi : séquences protéiques correspondantes.

Les gènes homéotiques des Arthropodes et des Vertébrés forment une famille multigénique Au sein d’un même organisme, par exemple la Souris, tous les gènes homéotiques présentent une similitude importante de séquence au niveau de l’homéoboîte : ce sont donc des gènes homologues, cette homologie témoignant de leur origine commune. De plus, l’ordre des gènes sur chaque chromosome (donc au sein d’un même complexe) est similaire d’un complexe à l’autre. On peut donc dire que l’on a des gènes paralogues (exemple : HoxA4, HoxB4, HoxC4 et HoxD4 sont paralogues).

Comparaisons entre les gènes homéotiques des Vertébrés et des Arthropodes :

  • Les gènes des complexes Hox de Souris et Hom-C de Drosophile présentent des similitudes dans leur ordre de disposition sur les chromosomes et, dans les deux cas, ils sont impliqués dans le positionnement et l’identité cellulaire le long de l’axe antéro-postérieur ;
  • Des expériences de transgenèse interspécifique ont été réalisées avec succès :

- la substitution du gène lab muté chez la Drosophile (mutation qui entraîne la formation d’une tête très petite) par le gène Hox B1 de Poulet restaure la morphogenèse normale de la tête de Mouche ;

- l’insertion du gène Hox B6 de Souris chez la Drosophile entraîne la transformation des antennes en pattes thoraciques ;

- d’une manière générale, un gène homéotique de Vertébré possède son homologue chez les Insectes ; inséré par transgenèse interspécifique dans le génome de la Drosophile, le gène homéotique de la Souris ou de l’Homme induit des transformations homéotiques semblables à celles produites par son homologue ;

  • La comparaison de tous les gènes homéotiques présents chez les Arthropodes et les Vertébrés met en évidence une grande similitude au niveau de l’homéoboîte. Cette similitude de séquence permet de dire que tous ces gènes sont homologues, c’est-à-dire qu’ils ont une origine commune ; ils forment donc une famille multigénique. Tous ces gènes se sont formés à partir d’un même gène ancestral par duplications géniques suivies de mutations.

Tableaux des identités (en %) entre plusieurs homéodomaines de gènes homéotiques de Vertébrés et d’Arthropodes (valeurs obtenues à l’aide d’un alignement réalisé avec le logiciel Anagène).

Le fait qu’il y ait plus de similitudes entre les gènes Hoxb4 de l’Homme et Dfd de la Drosophile qu’entre les gènes HoxB4 et HoxB7 indique que la duplication à l’origine de B4 et B7 est antérieure à la séparation des lignées des Insectes et des Vertébrés. Autrement dit, l’ancêtre commun à l’Homme et à la Drosophile avait un gène à l’origine du Dfd de la Drosophile et du B4 de l’Homme. En outre, il possédait un gène à l’origine du gène HoxB7 et du gène Ubx (plus forte similitude entre Ubx et B7 qu’entre HoxB4 et HoxB7). Le même raisonnement peut être tenu pour les gènes HoxB1, HoxB9, AbdB et Lab.

Des comparaisons du même type entre les gènes homéotiques des Vertébrés et de la Drosophile ont conduit à proposer le schéma évolutif suivant :

Ce schéma indique que l’ancêtre commun aux Vertébrés et aux Insectes possédait un complexe homéotique formé de six gènes, eux-mêmes résultant de duplications antérieures. Ces six gènes sont à l’origine des complexes Hom de la Drosophile et Hox des Vertébrés. L’Amphioxus est un Cordé qui ne possède qu’un seul complexe Hox. Les deux duplications à l’origine des quatre complexes existant chez tous les Vertébrés ont donc eu lieu dans la lignée des Cordés aboutissant à l’ancêtre commun à tous les Vertébrés. Il est possible de faire travailler les élèves sur le schéma évolutif ci-dessus, les amener à extraire les informations essentielles puis à tester la validité de ce schéma à partir des séquences des gènes homéotiques de la Drosophile et de la Souris.