Une vision inédite des génomes et de leur évolution

Dans cet article, les scientifiques décrivent la construction d’un ensemble exhaustif de données génomiques comprenant les séquences complètes et sans interruption, assemblées de télomère à télomère (les structures coiffant les extrémités de chromosomes) des génomes de 142 isolats Saccharomyces cerevisiae, la levure de boulangerie. Ces souches ont été soigneusement choisies pour représenter la diversité phylogénétique, écologique et géographique complète de l’espèce ainsi que sa diversité naturelle en termes de ploïdie et d'hétérozygotie. Ce jeu de données inédit, appelé ScRAP pour Saccharomyces cerevisiae Reference Assembly Panel, permet d’accéder à un niveau de connaissance génétique plus détaillé que celui atteint chez n’importe quel autre organisme, y compris l'homme.  Il ne se limite pas à un simple catalogue des ressemblances et différences entre génomes mais apporte de nouvelles découvertes biologiques sur les mécanismes d’évolution des génomes.

Une avancée majeure a consisté à identifier les différents variants structuraux provenant de l’accumulation des réarrangements chromosomiques de grande taille et à mesurer leur impact quantitatif sur la transcription des gènes voisins et sur l’évolution du répertoire de gènes. La description de la diversité de la structure des chromosomes a été étendue à l’étude de la variation de la longueur des télomères, ainsi qu’à la reconstruction de la mobilité des éléments transposable qui représente 40% des variants structuraux.

Ces résultats mettent en lumière de nombreuses découvertes inattendues qui ne fournissent pas simplement une vue plus détaillée de ce que la communauté scientifique connait déjà. Ces travaux apportent également de nouvelles observations auxquelles le domaine n'avait pas pensé auparavant, ou pour lesquelles il n'y avait clairement pas de données exploitables. Parmi les nombreux apports de cette étude, les scientifiques ont ainsi pu mettre en évidence le transfert horizontal de grandes régions chromosomiques provenant d'autres espèces de levure qui se sont intégrées aux extrémités des chromosomes. Elles génèrent ainsi de nouveaux télomères avec des structures qui font la transition entre le motif de répétitions télomériques de l'espèce donneuse et le motif de répétition de S. cerevisiae. Ils ont également découvert un transfert horizontal de chromosomes entiers remettant en question les modèles actuels d’hybridation entre espèces apparentées. Ce travail a également permis de reconstruire l’histoire évolutive des familles de gènes d'ARN de transfert et de montrer que comme les gènes codant pour des protéines, le répertoire des gènes d’ARNt subit des duplications, des délétions, des modifications de séquence et des gains et que les régions sous-télomériques servent de berceau à ces phénomènes.

Chacune de ces histoires est une nouvelle découverte démontrant la nécessité de substituer à l’utilisation d’un génome de référence unique, un pangénome unifiant de nombreux génomes représentatifs de la diversité phylogénétique de l’espèce et fournissant une carte complète de la diversité génétique de la population.

Figure : Description des différents variants structuraux affectant les génomes : Les chromosomes sont symbolisés par des rectangles arrondis présentant des rétrécissements correspondant aux centromères. Les bandes à l’intérieur des chromosomes indiquent des loci différents. Les chromosomes gris et violets symbolisent des chromosomes non-homologues. Transfert horizontal et introgressions sont représentés par la boite orange.

En savoir plus : 
O’Donnell, S., Yue, JX., Saada, O.A. et al. Telomere-to-telomere assemblies of 142 strains characterize the genome structural landscape in Saccharomyces cerevisiae. Nat Genet 55, 1390–1399 (2023). https://doi.org/10.1038/s41588-023-01459-y