L’évolution : anciens et nouveaux éclairages

Colloque organisé par François Gros du 13 au 18 juillet 1993

Participants

André Adoutte (Université Paris Sud XI, Orsay, France), Serge Alonso (Institut Pasteur, Paris, France), Giorgio Bernardi (Institut Jacques Monod, Paris), Christof K. Biebricher (Max-Planck Institute, Göttingen, Germany), Denis Duboule (EMBL Heidelberg, Allemagne & Faculté des sciences de Genève, Suisse), Antonio Garcia Bellido (Université Autonome de Madrid, Espagne), Pierre-Henri Gouyon (Université Paris Sud XI, Orsay), François Gros, organisateur (Institut Pasteur & Collège de France, Paris), Fotis Kafatos (Harvard University, Cambridge, USA & EMBL Heidelberg), Antoine Labeyrie (Collège de France, Paris), Alain Prochiantz (ENS Paris), Piotr Slonimski (CNRS Gif-sur-Yvette, France), Peter Westbroek (Université de Leide, Pays-Bas)

Compte-rendu

Ce colloque avait pour but de retracer une histoire naturelle de l’univers physique et biologique. Il se trouve que la biologie y fut prédominante en raison du nombre limité de géochimistes et de géophysiciens ayant répondu à notre appel.

La dynamique des écosystèmes physiques et biologiques fut le premier thème abordé. Contrairement aux idées reçues, il n’y a pas d’un côté l’univers géophysique évoluant par grands cycles géochimiques et de l’autre le monde vivant, le premier exerçant des forces sélectives sur l’évolution du second, et, à titre d’illustration, Peter Westbroek a évoqué les effets des écosystèmes biologiques sur le monde physique. Outre les causes évidentes, telles que la consommation par les populations, les pollutions, les rejets des déchets et l’épuisement des ressources naturelles, il s’agit aussi, en ce qui concerne la dynamique évolutive de la planète, de l’introduction des organismes photosynthétiques, du développement des hétérotrophes, de l’apparition des eucaryotes, etc. L’importance du cycle du CO2 fut soulignée pour son rôle essentiel dans les interactions entre le monde géophysique et le monde vivant ; d’ailleurs les stromatolithes, qui permettent de réaliser des datations, sont là pour en témoigner.

L’analyse des différentes tentatives faites pour repérer des signes de vie sur les autres planètes de notre système (programme prévu sur Mars en 1996) ou en dehors du système solaire fut ensuite abordée. Cette discipline est connue sous le nom d’exobiologie et Antoine Labeyrie se trouve à l’origine de la mise au point du développement interférométrique sur des télescopes permettant l’observation au-delà de l’atmosphère terrestre. Ce programme est basé soit sur la captation de l’émission de radiations d’un type particulier, comme les bandes spectrales habituelles de la chlorophylle ou bien celles d’un spectre modifié, soit sur la détection de molécules essentielles à l’apparition de la vie, comme celles mises en évidence dans l’expérience de H. Miller. Le système interférométrique permet d’amplifier par un facteur 1 000 la captation de ces signaux.

Les propos d’Antoine Labeyrie concernant les effets des réseaux neuronaux sur l’évolution des écosystèmes furent plus discutés. On a tendance, en général, à séparer l’ontogenèse transmissible des réseaux de communication strictement neuronaux ; les personnes impliquées dans la robotique ou l’intelligence artificielle ont été frappées par le fait que le vivant est capable de faire les deux à la fois. Antoine Labeyrie avance que, chez la grenouille, la capacité à mieux communiquer par le chant avec ses voisines lui confère une capacité à se reproduire plus facilement. Cela n’est pas étranger à ce que nous savons en biologie de la captation des signaux par les récepteurs, de la transduction, de la réception par les seconds messagers des signaux de déclenchement des divisions, etc., à cette différence près que, dans le système vivant, toutes les cellules ne sont pas isotropes.

Pierre-Henri Gouyon exprima ses réserves sur un néo-darwinisme qu’il considère un peu simpliste. Il pense qu’après la mise en évidence des facteurs de sélection et la découverte des mutations, les biologistes ont sans doute focalisé un peu trop vite leur intérêt sur l’adaptabilité, sous-entendue parfaite, du paradigme génétique à l’écosystème environnemental, qui impliquait une adaptation un peu trop linéaire et un peu trop graduelle évoluant vers un optimum. Ce que montra Pierre-Henri Gouyon, c’est qu’il existe des contraintes génétiques, mais aussi physiologiques. Il conclut qu’aucun optimum n’est biologiquement définissable, puisqu’un optimum pourrait signifier qu’on a atteint un niveau où le système n’évolue plus. Or, la définition même du vivant est sa capacité d’évoluer, de se modifier même aux dépens d’un passage thermodynamique vers des états moins avantageux. Lorsque les physiciens parlent de l’évolution du chaos vers les systèmes oscillatoires, ils connaissent également ce genre de situation.

Une réunion suivante, consacrée à la dynamique évolutive des systèmes biologiques, permit de donner la parole aux biologistes.

Au cours d’une première partie, on traita des aspects structuraux du génome, lequel peut révéler des unités d’évolution. Depuis que l’on sait comparer les séquences d’ADN, les biologistes moléculaires ont tenté de découvrir des reliques de grandes unités évolutives et ont pu mettre ainsi en évidence l’existence de P ADN répétitif, de l’ADN unique, etc., qui ont été des approches afin de régionaliser le génome en sous-compartiments. Les gènes répétitifs peuvent même représenter parfois des éléments transposables. Depuis de nombreuses années, Giorgio Bernardi a mis en évidence l’existence de grandes unités discrètes d’ADN mesurait plusieurs centaines de milliers de paires de bases, qu’il nomme les isochores, qui se séparent par sédimentation en sulfate de césium et qui révèlent des sous-groupes dont la composition en bases GC est relativement homogène. Par exemple, les organismes à sang chaud se distinguent des organismes à sang froid par la présence d’isochores plus riches en GC. La richesse en bases GC pourrait traduire une contrainte d’ensemble, laquelle aurait pu être liée à la température au cours de l’évolution. Sur le plan pratique, l’existence des isochores permet également de classer à l’intérieur d’une famille multigénique certains des gènes relativement actifs et les pseudogènes.

Actuellement, surtout en Europe, on s’oriente vers la cartographie complète d’un des plus simples organismes eucaryotiques, la levure, qui possède des propriétés similaires aux grands eucaryotes supérieurs, comme, par exemple, sa régulation de division, sa réception des signaux, l’existence d’oncogènes, etc. Dans une contribution importante, Piotr Slonimski résuma l’état des connaissances dans ce domaine. Tout d’abord, il existe chez la levure un grand nombre de gènes qui sont propres à cet organisme et, ensuite, de chaque côté du centromère, sur certains chromosomes, il existe des unités répétées de 10 à 12 000 paires de bases, pouvant peut-être représenter des unités globales de recombinaison.

D’autres biologistes ont successivement présenté leurs travaux sur une recherche explicative non plus des “signatures” de l’évolution sur le plan structural, mais des moteurs de cette évolution sur le plan mécanistique. Christof K. Biebricher a décrit un système modèle où les molécules d’ARN sont répliquées par la réplicase Qβ, permettant ainsi d’étudier le jeu entre mutations et sélections. Il tente de sélectionner in vitro des formes moléculaires comprenant des erreurs, équivalentes aux mutations in vivo, et de quantifier la fréquence d’apparition de ces erreurs et les sites touchés par ces mutations. Le taux d’erreur est de l’ordre du taux de mutations connu in vivo et ces erreurs ne sont pas distribuées au hasard. Ces mutations affecteraient plutôt l’initiation de la réplication et très peu l’élongation, et ce système pourrait servir aux études pharmacologiques de l’action des agents antiviraux.

Antonio Garcia Bellido a développé la notion de “syntagma”. Les éléments importants dans la morphogenèse et le maintien des structures cellulaires sont les éléments qui s’assemblent par modules et dont le nombre est déterminé. Des complexes multi-protéiques s’assemblent à leur tour entre eux pour former de grandes structures cellulaires. Dans cette optique, on peut entrevoir l’évolution non plus comme le résultat d’une sélection forcée par l’univers géophysique au niveau d’une population indéfinie de gènes, mais plutôt comme le résultat de forces internes propres au monde biologique ou bien comme le résultat de règles d’assemblages particulières, ce qui lui permet de créer par collages constants des assemblages nouveaux. Ces assemblages nouveaux peuvent survivre ou disparaître selon leur nature. Cette réflexion est à considérer soit au niveau des produits et de leur assemblage, soit au niveau du gène et de son codage.

Une grande part des discussions fut consacrée aux gènes homéotiques et à l’évolution des paradigmes de régulation lorsque l’on compare les espèces. Fotis Kafatos, qui étudie les gènes de chorion, a exposé une méthode par laquelle on peut faire évoluer les séquences cis-régulatrices de type consensus, sans pour autant changer le contrôle global exercé au niveau du gène. Cela donne suffisamment de flexibilité au système pour introduire une possibilité d’évolution du contrôle de l’expression des gènes de chorion.

Tous les gènes homéotiques ne correspondent pas toujours à des gènes de régulation qui opèrent pour des animaux segmentés ; André Adoutte a montré qu’ils seraient apparus dans un zootype ayant précédé l’apparition des métazoaires. Les gènes homéotiques permettent aujourd’hui l’analyse d’un grand nombre de phylums sur le plan zoologique. Les gènes homéotiques ont pu représenter les premiers paradigmes de gènes régulateurs et ils ont pu jouer un rôle dans l’intégration des signaux extérieurs avec la division et la communication entre les êtres unicellulaires. Cette propriété aurait peut-être été par la suite réutilisée pour régler le positionnement de l’information le long de l’axe antéro-postérieur dès l’apparition des métazoaires. Dans l’évolution de ces batteries paralogues de gènes homéotiques sont intervenus à la fois des processus de duplication, de dissémination et d’élimination (comme cela s’est produit pour les introns) qui ont concouru au processus d’explosion phylogénétique.

Denis Duboule s’intéresse, lui, à l’activation colinéaire des gènes Hox dans la formation des doigts de la patte antérieure de la souris. Ces gènes ne sont pas regroupés dans une unité polycistronique, comme c’est le cas des bactéries, mais la batterie de gènes Hox fonctionne comme une horloge séquentielle. Il existe en fait deux types d’horloges : une au niveau de la chromatine, qui ouvre de façon globale le complexe devant être transcrit, et une autre horloge liée à la division centripète des cellules — le membre poussant par la pointe comme le méristème apical des plantes. Il y a un cycle mitotique qui allume de façon séquentielle les gènes déjà rendus accessibles aux transcriptases par des modifications sans doute globales au niveau de la chromatine.

Alain Prochiantz étudie l’action des gènes homéotiques au niveau du système nerveux. Il a montré que les protéines à homéodomaine sont impliquées non seulement dans la morphogenèse des ensembles cellulaires au niveau de régions distinctes du système nerveux, mais également dans la définition de la forme de neurones isolés. Les protéines à homéodomaine activent dans les neurones les gènes N-Cam d’adhésion cellulaire, lesquels peuvent contenir jusqu’à six séquences cibles. Alain Prochiantz a montré également que l’homéodomaine d’Antennapedia est capable de traverser les membranes et d’interférer, au niveau nucléaire, avec la fonction des homéoprotéines endogènes. L’hypothèse est donc soulevée d’une action paracrine ou autocrine d’isoformes d’homéoprotéines. Il a conçu un modèle de combinatoire dans lequel il existe des éléments préexistants au niveau de certains neurones en plus de l’élément ajouté par la protéine diffusible, ce qui fabrique un système qui stabilise l’interaction synaptique soit avec un autre neurone, soit avec un muscle.

Enfin, l’auteur de cet article a présenté un examen d’ensemble des gènes chez les plantes, agissant comme des gènes homéotiques et qui règlent, dans l’espace et dans le temps, l’identité des différents organes (sépales, pétales, étamines, pistil) du végétal. Plusieurs mutations ont été mises en évidence et peuvent transformer un organe de la plante en un autre, comme, par exemple, un sépale en pétale ou un pétale en étamine. Ce type de gènes régulateurs définissant l’identité des organes, aussi bien chez un animal que chez une plante, est ancestral et a sûrement joué un rôle déterminant au cours de l’évolution.

Lors de la discussion générale, il est apparu que l’approche réductionniste moléculaire a nettement dominé l’approche plus globale de l’évolution, notamment par l’étude des grands phylums ou par la morphogenèse comparée. Peut-être le moment est-il venu d’engager, entre les généticiens et les écologistes s’intéressant à l’évolution, un véritable dialogue ?

Communications

• André Adoutte – Origin and evolution of homeobox gene complexes: insights from lower metazoa
• Serge Alonso – Conservation des stratégies de développement chez les plantes – Rôle des homéogènes
• Antonio Garcia Bellido – The notion of evolutionary conservation of developmental operations and gene syntagmata
• Giorgio Bemardi – The human genome and its evolutionary history
• Christof K. Biebricher – Quantitative analysis of Darwinian evolution of replicating RNA species
• Denis Duboule – Temporal colinearity: a source of hetero-chronic transformations during the development and evolution of the tetrapod limb
• Pierre-Henri Gouyon – Constraints in evolution
• Fotis Kafatos – Transcriptional regulation in development and evolution
• Antoine Labeyrie – Is evolution directed by neural-network effects?
• Alain Prochiantz – Genetic control of brain epigenesis
• Piotr Slonimski – Evolution des génomes de la levure
• Peter Westbroek – Modélisation de la biosphère