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Environ quel pourcentage de mutations ne sont pas adaptatives ?

Environ quel pourcentage de mutations ne sont pas adaptatives ?


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De nombreux textes populaires qui traitent de l'évolution et de la sélection naturelle mentionnent souvent que beaucoup (ou la plupart) des mutations sont mauvaises (non adaptatives).

Y a-t-il eu des études sur les pourcentages approximatifs? (Par exemple, est-ce 90 % ? 99 % ? 99,9 % ? Si ce nombre varie selon les espèces, une réponse pourrait se concentrer uniquement sur une espèce en particulier.)


Comme suggéré par le commentaire de McGrew, cela dépend considérablement de la forme du paysage de la condition physique. Cela variera un peu d'une situation à l'autre.

Plus précisément, vous vous intéressez à la distribution des effets de fitness (DFE) des mutations, et à la queue supérieure en particulier.

Wikipédia a une section à ce sujet. Ils y notent une étude sur un virus qui suggère qu'environ 4 % des mutations sont bénéfiques. C'est peut-être une surestimation, et beaucoup d'entre eux ne sont probablement que très légèrement bénéfiques. Le nombre est probablement plus faible chez les organismes non viraux.

Pour une revue sur le DFE des nouvelles mutations, voir ici. Ils écrivent dans leur rubrique « Mutations avantageuses » :

Comme prévu, relativement peu de mutations qui ne sont pas effectivement neutres sont avantageuses. coli(14), 0-15% dans le bactériophage φX174 (REF. 40), 0% dans φ6 (REF. 13) et 6% dans Saccharomyces cerevisiae (16).


Il faut distinguer mutation de remplacements: en supposant pour simplifier qu'une mutation puisse se produire à n'importe quel endroit de la séquence génétique, la plupart des mutations sont liées à des génomes non fonctionnels. Remplacements, d'autre part, sont des mutations qui ont abouti à des organismes viables - elles peuvent toujours avoir un effet négatif sur l'aptitude, mais pas carrément délétères.

Notez également que les mutations non adaptatives ne sont pas nécessairement mauvaises - la théorie neutre de l'évolution nous dit qu'en raison d'effets aléatoires, les substitutions peuvent se fixer dans la population sans avoir un avantage direct en termes de fitness.

Dans les virus, la quantité de substitutions peut être très élevée - des dizaines de pourcents, au point qu'il faut introduire des seuils ad hoc pour distinguer les souches virales, par exemple les virus qui diffèrent de 30 % de leur contenu génétique. Le degré d'adaptation dépend de la forme du paysage de remise en forme, comme l'a noté @MaximilianPress. Par exemple, pour le VIH, il a été découvert que jusqu'à un tiers des changements de séquence ont tendance à revenir à la séquence ancestrale du VIH, c'est-à-dire qu'ils constituent une adaptation spécifique à l'hôte.

Clarification
Au vu de la discussion qui a suivi, je voudrais apporter quelques précisions à ma réponse :

  • Ma distinction entre mutation et remplacements est essentiellement la distinction entre les réel et le observé mutations. Ceci est différent de l'utilisation plus courante, où substitution moyens point de mutation, avec mutation étant un terme plus général.
  • Puisque j'ai mentionné la théorie neutre, il est nécessaire de remarquer que l'intégralité de ses revendications n'est généralement pas acceptée et/ou étayée par des données. De plus, sa validité dépend des organismes en question. Mon utilisation de la théorie neutre se limite donc au fait qu'être adaptatif/non adaptatif n'est pas le seul facteur qui détermine qu'une mutation se fixe dans la population.

Le généticien moléculaire de Harvard confirme l'argument principal de Michael Behe ​​dans Darwin dévolu

Quand le livre de Michael Behe Darwin dévolu est sorti l'année dernière, les critiques n'ont pas tardé à bondir. Magazine Sceptique a écrit que « dans Darwin dévolu, Michael Behe ​​continue de s'enfoncer davantage dans le trou qu'il a ouvert il y a 20 ans avec DarwinBoîte noire.” Trois Quarks par jour a déclaré que la thèse centrale de Behe ​​dans le livre "est un appât à clics, le titre du livre trompeur et l'argument réfuté depuis longtemps".

Cette thèse est ce que Behe ​​appelle la « première règle de l'évolution adaptative », à savoir que les processus darwiniens ont tendance à « casser ou émousser tout gène fonctionnel dont la perte augmenterait le nombre de descendants d'une espèce ». Une critique dans la revue Science a qualifié les arguments de Behe ​​de « chimériques » et a accusé « [t]il y a en effet de nombreux exemples de mutations de perte de fonction qui sont avantageux, mais Behe ​​est sélectif dans ses exemples » – à tel point que Behe ​​« déforme la théorie et évite les preuves que le défie.

Une réponse dans le journal Évolution avait ceci à dire :

Concise, accrocheuse et terre-à-terre, la première règle de Behe ​​donne un son de qualité, mais elle est trop simpliste et mensongère pour les données. Darwin dévolu met trop l'accent sur les mutations de perte de fonction et écarte les exemples compensatoires comme rien de plus qu'un « spectacle parallèle ».

Vous pouvez trouver de nombreuses réponses aux critiques ici, mais cela vaut toujours la peine de revenir sur certaines questions pertinentes : Behe ​​a-t-il induit les lecteurs en erreur en soulignant l'importance des mutations par perte de fonction ? Behe a-t-il déformé la théorie de l'évolution et ignoré les preuves en affirmant que les adaptations ont tendance à impliquer des mutations dégradantes ? Behe s'est-il creusé un trou en affirmant que les mutations constructives sont moins fréquentes que celles qui brisent ou diminuent les fonctions ? Si un nouvel article Biologie actuelle signifie n'importe quoi, les critiques ne sont pas seulement grossières mais carrément fausses :

Dans l'évolution expérimentale en laboratoire de nouveaux phénotypes et la domestication humaine des cultures, la majorité des mutations qui conduisent à l'adaptation sont des mutations de perte de fonction qui altèrent ou éliminent la fonction des gènes plutôt que des mutations de gain de fonction qui augmentent ou altèrent qualitativement la fonction des protéines. Ici, je suppose qu'un accès plus facile aux mutations de perte de fonction les a amenées à jouer un rôle majeur dans les radiations adaptatives qui se produisent lorsque les populations ont accès à de nombreuses niches écologiques inoccupées.

Andrew W. Murray, « Les mutations inactivant les gènes peuvent-elles conduire à une nouveauté évolutive ? » Biologie actuelle, 30(10) R465-R471 emphase ajoutée.

Les mutations adaptatives survenues au cours de la circulation chez l'homme du virus de la grippe H1N1 lors de la pandémie de 2009 augmentent la virulence chez la souris

Au cours de la pandémie de grippe H1N1 de 2009, les taux d'attaque d'infection étaient particulièrement élevés chez les jeunes qui souffraient de pneumonie avec décès occasionnel. De plus, les déterminants précédemment rapportés de l'adaptation et de la pathogénicité des mammifères n'étaient pas présents dans les virus de la grippe pandémique H1N1 de 2009. Ainsi, il a été proposé que des facteurs viraux inconnus pourraient avoir contribué à la gravité de la maladie chez l'homme. Dans cette étude, nous avons effectué une analyse comparative de deux souches cliniques de la grippe pandémique H1N1 de 2009 qui appartiennent aux phases très précoces et tardives de la pandémie. Nous avons identifié des mutations dans l'hémagglutinine virale (HA) et la nucléoprotéine (NP) qui se sont produites au cours de la progression de la pandémie et qui induisent une virulence accrue chez la souris. L'issue de la maladie mortelle était corrélée à une réplication virale élevée dans l'épithélium alvéolaire, à une augmentation des réponses pro-inflammatoires des cytokines et des chimiokines, à la pneumonie et à la lymphopénie chez la souris. Ces résultats montrent que les mutations virales survenues au cours de la circulation pandémique chez l'homme sont associées à une maladie grave chez la souris.

Importance: Dans cette étude, de nouveaux déterminants de la pathogénicité de la grippe pandémique H1N1 de 2009 ont été identifiés dans les gènes de l'hémagglutinine virale (HA) et des nucléoprotéines (NP). Contrairement aux virus de la grippe aviaire hautement pathogènes, une virulence accrue chez la souris n'était pas en corrélation avec une activité polymérase accrue, mais avec une activité réduite. Infection pandémique H1N1 mortelle de 2009 chez la souris en corrélation avec une lymphopénie et une pneumonie sévère. Ces études suggèrent que les mécanismes moléculaires qui interviennent dans la pathogénicité de la grippe pandémique H1N1 de 2009 sont distincts de ceux qui interviennent dans la pathogénicité du virus de la grippe aviaire chez la souris.

Copyright © 2015, Société américaine de microbiologie. Tous les droits sont réservés.

Les figures

Virulence du recombinant 2009 pH1N1…

Virulence des virus de la grippe pH1N1 recombinants 2009 chez les souris C57BL/6J. Les souris C57BL/6J étaient…

Tropisme pulmonaire du recombinant 2009…

Tropisme pulmonaire des virus de la grippe pH1N1 recombinants 2009 chez les souris C57BL/6J. Souris C57BL/6J…

2009 Activité de la polymérase virale pH1N1…

2009 Activité de la polymérase virale pH1N1 et réplication dans les cellules de mammifères. La structure tertiaire…

Réponse des cytokines chez les recombinants 2009…

Réponse des cytokines dans les cellules pulmonaires humaines recombinantes infectées par pH1N1. Cellules pulmonaires humaines (A549)…

Nombre de lymphocytes dans le recombinant 2009…

Nombre de lymphocytes chez des souris C57BL/6J infectées par le virus pH1N1 recombinant 2009. Les souris C75BL/6J étaient soit…

Titres pulmonaires de virus dans le recombinant…

Titres pulmonaires de virus chez des souris C57BL/6J infectées par le virus pH1N1 recombinant 2009. Les souris C57BL/6J étaient…


Résumé de l'auteur

La mutation est d'une importance capitale en biologie. Il crée une variation génétique, la matière première de l'évolution par sélection naturelle. Il peut améliorer les traits et les organismes, mais peut également conduire à des phénomènes tels que les cellules cancéreuses et les agents pathogènes résistants aux antibiotiques. L'augmentation du taux de mutation peut accélérer l'adaptation évolutive, même sur plusieurs milliers de générations dans un environnement constant. Notre étude décrit l'évolution en laboratoire des asexuées Escherichia coli souches avec une gamme de taux de mutation à des niveaux trouvés dans la nature (du type sauvage au mutant fort). De manière inattendue, l'adaptation évolutive était la plus limitée dans les populations ayant le taux de mutation le plus élevé. Notre travail suggère que les mutations délétères peuvent commencer à limiter l'adaptation à des taux de mutation plus faibles qu'on ne le pensait auparavant.

Citation: Sprouffske K, Aguilar-Rodríguez J, Sniegowski P, Wagner A (2018) Des taux de mutation élevés limitent l'adaptation évolutive chez Escherichia coli. PLoS Genet 14(4) : e1007324. https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1007324

Éditeur: Ivan Matic, Université Paris Descartes, INSERM U1001, FRANCE

A reçu: 7 juillet 2017 Accepté: 21 mars 2018 Publié : 27 avril 2018

Droits d'auteur: © 2018 Sprouffske et al. Il s'agit d'un article en libre accès distribué sous les termes de la Creative Commons Attribution License, qui permet une utilisation, une distribution et une reproduction sans restriction sur n'importe quel support, à condition que l'auteur original et la source soient crédités.

Disponibilité des données: Tous les fichiers sont disponibles dans la base de données Dryad (doi:10.5061/dryad.mh206).

Le financement: KS reconnaît le soutien par le biais du programme Forschungskredit de l'Université de Zurich, subvention K-74301-03-0. AW reconnaît le soutien de l'ERC Advanced Grant 739874, de la subvention du Fonds national suisse de la recherche scientifique 31003A_146137, d'une subvention EpiphysX RTD de SystemsX.ch, ainsi que du programme de recherche universitaire prioritaire en biologie évolutive de l'Université de Zurich. Les bailleurs de fonds n'ont joué aucun rôle dans la conception de l'étude, la collecte et l'analyse des données, la décision de publier ou la préparation du manuscrit.

Intérêts concurrents : Les auteurs ont déclaré qu'ils n'existaient pas de conflit d'intérêts.


Sélection Bio, Choix Bio, Plasticité

En 1897, HF Osborn publia un article intitulé "Sélection biologique", dans lequel nous lisons : "La sélection biologique est le terme proposé par le professeur Baldwin et adopté par le professeur Morgan et moi-même pour ce processus dans la nature qui est considéré comme l'un des les vraies causes de variation définie ou déterminée. L'hypothèse est brièvement la suivante : cette adaptation ontogénique est d'un caractère très profond. Il permet aux animaux et aux plantes de survivre à des changements très critiques de leur environnement. Ainsi, tous les individus d'une race sont modifiés de la même manière sur des périodes de temps si longues que très progressivement des variations congénitales ou phylogénétiques, qui coïncident avec les variations adaptatives ontogénétiques, sont sélectionnées. Il en résulterait une transmission apparente mais non réelle des caractères acquis. Cette hypothèse, si elle n'a pas de limites, amène une harmonie très inattendue entre les aspects lamarckien et darwinien de l'évolution, par des concessions mutuelles de la part des positions essentielles des deux théories. S'il abandonne la transmission des caractères acquis, il place l'adaptation individuelle en premier et les variations fortuites en second, comme les Lamarckiens l'ont toujours soutenu, au lieu de placer les conditions de survie par les variations fortuites en premier lieu, comme l'ont soutenu les sélectionneurs » (Osborn, 1897 : 584) .

La plasticité organique – la capacité à résoudre des problèmes inattendus, à s'adapter à son comportement au cours de la vie, selon les circonstances – est une caractéristique universelle de tous les êtres vivants. Cette caractéristique ne nécessite pas d'explication évolutive supplémentaire car elle est aussi universelle que la vie elle-même ( West-Eberhard, 2003 : 34). Une fois vivants, les organismes ne peuvent pas éviter de satisfaire leurs besoins organiques et, ce faisant, ils ne peuvent pas complètement éviter d'apprendre. [Ainsi, l'apprentissage peut être considéré comme un moyen de parvenir à l'adaptation. Il existe plusieurs mécanismes d'apprentissage différents. On peut supposer que l'apprentissage ontogénétique est basé sur un mécanisme analogue à la sélection naturelle au niveau intra-organisme ou histologique cependant, ce n'est généralement pas le cas (voir, par exemple, Watson et al., 2010 Kirby, 2000).] La plasticité organique (différente des transformations dans les systèmes non vivants) doit être comprise comme un changement qui a des alternatives - il devrait également être possible de se comporter d'une manière qui ne répond pas aux besoins, elle devrait être possible de faire des erreurs. Dans ce cas, on peut dire que la sélection organique – ou plutôt, le choix organique fait par les organismes – est inévitable. Lorsqu'une population d'organismes est confrontée à un changement commun de conditions, tous les organismes de la population peuvent réagir simultanément et de manière similaire. Cependant, le rôle de la plasticité organique dans l'évolution dépend des mécanismes qui peuvent rendre les résultats du choix organique irréversibles.

En fait, Osborn, dans l'article sur la sélection biologique, poursuit : « Cette hypothèse a été approuvée par Alfred Wallace. Il me semble cependant qu'il est soumis à des limitations et exceptions qui vont loin d'annuler son application universelle. Ceci est particulièrement visible dans le fait que l'on observe que la loi de variation déterminée opère avec une force égale dans certaines structures, telles que les dents, qui ne sont pas améliorées par l'utilisation ou l'exercice individuel, comme dans les structures qui sont tellement améliorées » (Osborn, 1897 : 584-585). Pour comprendre cette hésitation (qui a été continuellement utilisée dans les interprétations de l'effet Baldwin), je dois souligner qu'il n'y avait presque aucune connaissance de la dynamique des modèles d'expression des gènes jusqu'à ces dernières décennies.

Le mécanisme de sélection organique est un mécanisme différent du mécanisme de sélection naturelle. Ils sont probablement tous deux à l'œuvre dans l'évolution, mais leurs rôles relatifs doivent être découverts par des études empiriques. Si tel est le cas, il est théoriquement possible qu'à certaines occasions, un changement évolutif adaptatif puisse avoir lieu sans sélection naturelle.

La sélection organique est une partie constitutive possible du mécanisme évolutif, l'autre partie du même mécanisme étant la sélection naturelle. Dans ce cas, il se peut que la sélection naturelle ne soit jamais absente d'un changement évolutif adaptatif.

En effet, les partisans de la sélection organique ne pouvaient pour la plupart pas complètement éviter l'implication de la sélection naturelle dans le mécanisme qu'ils proposaient. C'est vrai pour la plupart des interprétations de la sélection organique, ou de l'effet Baldwin, par HF Osborn et ses contemporains (voir aussi Bowler, 1983), de l'assimilation génétique telle que décrite par CH Waddington (Waddington, 1953a, b, 1956), de niche- construction telle que décrite par Odling-Smee, Laland & Feldman (2003), ou d'évolution épigénétique par Jablonka & Lamb (2005). Ainsi, ils semblent tous accepter (2), mais pas (1). [Cependant, il existe des travaux qui affirment de manière radicale, similaire à l'opinion exprimée ici, que la sélection naturelle n'est pas nécessaire pour l'adaptation - voir, par exemple, Jablonka & Lamb (2008), Margulis & Sagan (2002) et Watson et al. (2010).] Permettez-moi maintenant d'argumenter en faveur de la possibilité d'accepter (1).


Environ quel pourcentage de mutations ne sont pas adaptatives ? - La biologie

Les mutations peuvent être bénéfiques, neutres ou nocives pour l'organisme, mais les mutations n'« essaient » pas de fournir ce dont l'organisme « a besoin ». Des facteurs environnementaux peuvent influencer le taux de mutation, mais on ne pense généralement pas qu'ils influencent la direction de la mutation. Par exemple, l'exposition à des produits chimiques nocifs peut augmenter le taux de mutation, mais ne provoquera pas plus de mutations qui rendront l'organisme résistant à ces produits chimiques. À cet égard, les mutations sont aléatoires et le fait qu'une mutation particulière se produise ou non n'est pas lié à l'utilité de cette mutation.

Par exemple, aux États-Unis, où les gens ont accès à des shampooings contenant des produits chimiques qui tuent les poux, nous avons beaucoup de poux résistants à ces produits chimiques. Il y a deux explications possibles à cela :

Hypothèse A : Hypothèse B :
Les souches résistantes de poux ont toujours été présentes et sont juste plus fréquentes maintenant parce que tous les poux non résistants sont morts d'une mort savonneuse. L'exposition au shampooing contre les poux a en fait provoqué des mutations pour la résistance au shampooing.

Les scientifiques pensent généralement que la première explication est la bonne et que les mutations dirigées, la deuxième explication possible reposant sur une mutation non aléatoire, n'est pas correcte.

Les chercheurs ont réalisé de nombreuses expériences dans ce domaine. Bien que les résultats puissent être interprétés de plusieurs manières, aucune ne soutient sans ambiguïté la mutation dirigée. Néanmoins, les scientifiques continuent de faire des recherches qui fournissent des preuves pertinentes à cette question.

De plus, des expériences ont clairement montré que de nombreuses mutations sont en fait aléatoires et ne se sont pas produites parce que l'organisme a été placé dans une situation où la mutation serait utile. Par exemple, si vous exposez des bactéries à un antibiotique, vous observerez probablement une prévalence accrue de résistance aux antibiotiques. Esther et Joshua Lederberg ont déterminé que bon nombre de ces mutations pour la résistance aux antibiotiques existaient dans la population avant même que la population ne soit exposée à l'antibiotique et que l'exposition à l'antibiotique n'a pas provoqué l'apparition de ces nouveaux mutants résistants.

L'expérience Lederberg
En 1952, Esther et Joshua Lederberg ont réalisé une expérience qui a permis de montrer que de nombreuses mutations sont aléatoires et non dirigées. Dans cette expérience, ils ont capitalisé sur la facilité avec laquelle les bactéries peuvent être cultivées et entretenues. Les bactéries se développent en colonies isolées sur des plaques. Ces colonies peuvent être reproduites à partir d'une plaque d'origine vers de nouvelles plaques en "estampant" la plaque d'origine avec un chiffon, puis en estampant les plaques vides avec le même chiffon. Les bactéries de chaque colonie sont ramassées sur le tissu puis déposées sur les nouvelles plaques par le tissu.

Esther et Joshua ont émis l'hypothèse que les souches de bactéries résistantes aux antibiotiques ayant survécu à une application d'antibiotiques avaient la résistance avant leur exposition aux antibiotiques, et non à la suite de l'exposition. Leur montage expérimental est résumé ci-dessous :

Lorsque la plaque d'origine est lavée avec de la pénicilline, les mêmes colonies (celles en position X et Y) vivent — même si ces colonies sur la plaque d'origine n'ont jamais rencontré de pénicilline auparavant.


Impact des mutations

Le plus souvent, les mutations viennent à l'esprit comme la cause de diverses maladies. Bien qu'il existe plusieurs exemples de ce type (certains énumérés ci-dessous), selon le Manuel de référence de la maison génétique, les mutations causant la maladie ne sont généralement pas très courantes dans la population générale.

Le syndrome de l'X fragile est causé par une mutation dynamique et survient chez 1 homme sur 4 000 et 1 femme sur 8 000. Les mutations dynamiques sont plutôt insidieuses car la gravité de la maladie peut augmenter avec l'augmentation du nombre de répétitions de nucléotides. Chez les personnes atteintes du syndrome de l'X fragile, la séquence nucléotidique CGG se répète plus de 200 fois dans un gène appelé FMR1 (pour lequel le nombre normal est compris entre 5 et 40 répétitions). Ce nombre élevé de répétitions CGG entraîne des retards de parole et de langage, un certain niveau de déficience intellectuelle, d'anxiété et de comportement hyperactif. Cependant, chez ceux qui ont moins de répétitions (55-200 répétitions), la plupart sont considérés comme ayant un intellect normal. Depuis le FMR1 gène est sur le chromosome X, cette mutation est également héréditaire.

Une variante de l'hémoglobine adulte, connue sous le nom d'hémoglobine S, peut survenir en raison d'une mutation faux-sens, qui fait que l'acide aminé valine remplace l'acide glutamique. Si l'on hérite du gène aberrant des deux parents, cela conduit à une maladie connue sous le nom de drépanocytose. La maladie tire son nom du fait que les globules rouges, qui sont généralement en forme de disque, se contractent et ressemblent à une faucille. Les personnes atteintes souffrent d'anémie, d'infections régulières et de douleurs. Les estimations suggèrent que la maladie survient chez 1 Afro-Américain sur 500 et environ 1 sur 1 000 à 1 400 Hispano-américains.

Des mutations peuvent également se produire en raison de facteurs environnementaux. Par exemple, selon un article de 2001 publié dans le Journal Biomedicine and Biotechnology, les rayons UV du soleil, en particulier les ondes UV-B, sont responsables de mutations dans un gène suppresseur de tumeur appelép53. Le muté p53 gène a été impliqué dans le cancer de la peau.

Les mutations ont d'autres implications importantes. Ils créent des variations au sein des gènes d'une population. Selon le Genetics Home Resource Handbook, les variantes génétiques observées dans plus de 1% d'une population sont appelées polymorphismes. Les différentes couleurs des yeux et des cheveux, et les différents groupes sanguins qui peuvent survenir, sont tous dus à des polymorphismes.

Dans l'ensemble, les mutations peuvent également fonctionner comme des outils d'évolution, aidant au développement de nouveaux traits, caractéristiques ou espèces. « L'accumulation de multiples mutations dans une seule voie ou dans des gènes participant à un seul programme de développement est susceptible d'être responsable de la spéciation [la création d'une nouvelle espèce] », a déclaré Boekhoff-Falk.

Selon la ressource Understanding Evolution publiée par le Musée de paléontologie de l'Université de Californie, seules les mutations germinales jouent un rôle dans l'évolution, car elles sont héréditaires. Il est également important de noter que les mutations sont aléatoires, c'est-à-dire qu'elles ne se produisent pas pour répondre aux exigences d'une population donnée.


Pas tout à fait aléatoire

De plus, étant donné que le darwinisme ne peut pas avoir de but ou de plan spécifique, on a généralement supposé que les mutations devaient être aléatoires. Au moins, ils doivent être aléatoires dans leur utilité sinon dans leur emplacement ADN. Les mutations ne se produiraient pas parce que l'organisme en a besoin. Au contraire, ils ne peuvent avoir aucun objectif intentionnel ou avantage délibéré. Les mutations modifieront au hasard les traits de l'organisme, et la sélection naturelle détermine si le trait modifié est utile à l'organisme. C'est le néo-darwinisme classique.

Le hasard était également un principe nécessaire pour séparer le néo-darwinisme de l'évolution lamarckienne, qui prédisait que les organismes peuvent développer des traits basés sur des facteurs environnementaux et que ces traits peuvent être hérités par les générations suivantes. De plus, le hasard a été jugé nécessaire pour exclure toute suggestion de guidance divine ou de programmation intelligente. Cependant, il s'agissait plus d'un paradigme philosophique que scientifique, car il y a toujours eu une absence de preuve directe que toutes les mutations sont totalement aléatoires.4

Des études récentes ont trouvé des schémas distincts dans l'emplacement des mutations sur l'ADN, plutôt qu'une diffusion aléatoire.5 Beaucoup moins de mutations se produisent dans les zones à forte expression génétique, contrairement à ce qui serait prédit puisque le darwinisme nécessite des changements spectaculaires dans l'expression des gènes.6 Il est reconnu depuis longtemps que l'ADN contient des « points chauds », des emplacements où les mutations sont plus susceptibles de se produire.7 Cependant, les emplacements précis et prévisibles de nombreuses mutations indiquent l'implication de plus que de simples « points chauds ».

De plus, étant donné que l'emplacement de l'ADN de nombreuses mutations n'est pas aléatoire, cela remet en question une hypothèse fréquemment émise par les biologistes évolutionnistes. Lorsque deux organismes partagent des mutations presque identiques, les biologistes supposent souvent que c'est la preuve d'une histoire évolutive partagée. Les mutations identiques doivent avoir été héritées d'un ancêtre commun. Le modèle mutationnel partagé montre vraisemblablement une lignée darwinienne.

Cependant, ce raisonnement suppose que les mutations sont dispersées de manière aléatoire dans l'ADN. Ainsi, la seule façon dont deux organismes peuvent partager des mutations identiques est par l'ascendance partagée. Pourtant, comme de nombreuses mutations ne sont pas localisées au hasard, des mutations partagées pourraient résulter de points chauds mutationnels partagés plutôt que d'une histoire évolutive partagée. Ainsi, des mutations identiques ne vérifient pas la descendance darwinienne.


Les gènes ne sont pas le destin

Les gènes influencent tous les aspects de la physiologie humaine, du développement et de l'adaptation. L'obésité ne fait pas exception. Pourtant, on sait relativement peu de choses sur les gènes spécifiques qui contribuent à l'obésité et sur l'ampleur des interactions dites « environnement génétique », l'interaction complexe entre notre constitution génétique et nos expériences de vie.

Une étude de 2014 a révélé que la consommation d'aliments frits pouvait interagir avec les gènes liés à l'obésité, soulignant l'importance de réduire la consommation d'aliments frits chez les individus génétiquement prédisposés à l'obésité. (21) La recherche des gènes de l'obésité humaine a commencé il y a plusieurs décennies. Les progrès rapides de la biologie moléculaire et le succès du projet du génome humain ont intensifié la recherche. Ces travaux ont mis en lumière plusieurs facteurs génétiques responsables de formes très rares et monogéniques d'obésité. Des recherches émergentes ont également commencé à identifier les fondements génétiques de l'obésité dite «commune», qui est influencée par des dizaines, voire des centaines de gènes. De plus, les recherches sur la relation entre certains aliments et l'obésité permettent de mieux comprendre l'interaction entre l'alimentation, les gènes et l'obésité.

Ce qui ressort de plus en plus clairement de ces premières découvertes, c'est que les facteurs génétiques identifiés jusqu'à présent n'apportent qu'une faible contribution au risque d'obésité - et que nos gènes ne sont pas notre destin : de nombreuses personnes qui portent ces soi-disant "gènes de l'obésité" ne devenir en surpoids et des modes de vie sains peuvent contrecarrer ces effets génétiques. Cet article décrit brièvement les contributions des gènes et des interactions gènes-environnement au développement de l'obésité.

Formes rares d'obésité causées par des mutations dans un seul gène (obésité monogénique)

Plusieurs formes rares d'obésité résultent de mutations spontanées dans des gènes uniques, appelées mutations monogéniques. De telles mutations ont été découvertes dans des gènes qui jouent un rôle essentiel dans le contrôle de l'appétit, l'apport alimentaire et l'homéostasie énergétique, principalement dans les gènes qui codent pour l'hormone leptine, le récepteur de la leptine, la pro-opiomélanocortine et le récepteur de la mélanocortine-4, entre autres. . (1)

L'obésité est également une caractéristique de plusieurs syndromes génétiques causés par des mutations ou des anomalies chromosomiques, tels que les syndromes de Prader-Willi et de Bardet-Biedl. Dans ces syndromes, l'obésité s'accompagne souvent d'un retard mental, d'anomalies de la reproduction ou d'autres problèmes. (2)

“Obésité commune” causée par des mutations dans plusieurs gènes

Au 21ème siècle, l'obésité est un problème de santé affectant les sociétés riches et pauvres, éduquées et non éduquées, occidentalisées et non-occidentales. Cependant, le niveau de graisse corporelle varie d'une personne à l'autre et certaines personnes ont toujours eu tendance à avoir un peu plus de graisse corporelle que d'autres. Les preuves provenant de modèles animaux, d'études de liaison humaine, d'études de jumeaux et d'études d'association de grandes populations suggèrent que cette variation de notre susceptibilité à l'obésité a une composante génétique. Mais plutôt que d'être contrôlée par un seul gène, la susceptibilité à l'obésité commune serait affectée par de nombreux gènes (polygéniques).

Des études sur les jumeaux offrent un aperçu de la génétique de l'obésité courante. Sur la base des données de plus de 25 000 paires de jumeaux et de 50 000 membres biologiques et adoptifs de la famille, les estimations des corrélations moyennes pour l'indice de masse corporelle (IMC) sont de 0,74 pour les jumeaux monozygotes (“identical”), 0,32 pour les dizygotes (“fraternal”) 8221) jumeaux, 0,25 pour les frères et sœurs, 0,19 pour les couples parents-enfants, 0,06 pour les parents adoptifs et 0,12 pour les conjoints. (3) La forte corrélation pour l'IMC entre les jumeaux monozygotes et son atténuation avec des degrés moindres de gènes partagés suggèrent une forte influence génétique sur l'IMC. Cependant, cette conclusion est basée sur l'hypothèse que les jumeaux identiques et fraternels ont le même degré d'environnement partagé - et c'est une hypothèse qui peut ne pas tenir dans la pratique.

Utilisation d'études d'associations pangénomiques pour identifier les gènes liés à l'obésité

Une étude d'association à l'échelle du génome analyse des centaines de milliers de marqueurs génétiques sur des milliers d'individus et des ensembles complets d'ADN pour trouver des variations génétiques pouvant être liées à une maladie particulière. Ces études peuvent être utilisées pour trouver des variations génétiques qui jouent un rôle dans des maladies courantes et complexes telles que l'obésité. Souvent, un changement dans une seule petite section de l'ADN qui code pour un gène peut faire une différence dans l'action du gène. Ces minuscules variations de l'ADN, appelées «variantes génétiques» ou «polymorphismes à nucléotide unique» (SNP), sont souvent liées au risque de maladie.

En 2007, des chercheurs utilisant des études d'association à l'échelle du génome ont identifié les premières variantes génétiques liées à l'obésité dans le gène dit « de la masse grasse et de l'obésité » (FTO) sur le chromosome 16. (4, 5) Ces variantes génétiques sont assez commun, et les personnes qui en portent un ont un risque d'obésité 20 à 30 pour cent plus élevé que les personnes qui n'en portent pas. La deuxième variante de gène associée à l'obésité que les chercheurs ont identifiée se trouve sur le chromosome 18, à proximité du gène du récepteur de la mélanocortine-4 (le même gène responsable d'une forme rare d'obésité monogénique). (6, 7)

À ce jour, des études d'association à l'échelle du génome ont identifié plus de 30 gènes candidats sur 12 chromosomes qui sont associés à l'indice de masse corporelle. (8󈝶) Il est important de garder à l'esprit que même le plus prometteur de ces gènes candidats, FTO, ne représente qu'une petite fraction de la susceptibilité liée aux gènes à l'obésité. (11)

Interactions gène-environnement : pourquoi l'hérédité n'est pas le destin

Il est peu probable que les changements génétiques expliquent la propagation rapide de l'obésité dans le monde. (1) C'est parce que le pool de gènes, la fréquence des différents gènes dans une population, reste assez stable pendant de nombreuses générations. Il faut beaucoup de temps pour que de nouvelles mutations ou polymorphismes se propagent. Donc, si nos gènes sont restés en grande partie les mêmes, qu'est-ce qui a changé au cours des 40 dernières années d'augmentation des taux d'obésité ? Notre environnement : l'environnement physique, social, politique et économique qui influence notre consommation d'aliments et notre niveau d'activité. Les changements environnementaux qui rendent plus facile pour les gens de trop manger et plus difficile pour les gens de faire suffisamment d'activité physique, ont joué un rôle clé dans le déclenchement de la récente vague de surpoids et d'obésité. (12)

Les travaux sur les interactions gènes-environnement liées à l'obésité en sont encore à leurs balbutiements. Jusqu'à présent, les preuves suggèrent que la prédisposition génétique n'est pas le destin - de nombreuses personnes porteuses de soi-disant «gènes de l'obésité» ne deviennent pas en surpoids. Il semble plutôt qu'une alimentation saine et une activité physique suffisante puissent contrecarrer une partie du risque d'obésité lié aux gènes.

En 2008, par exemple, Andreasen et ses collègues ont démontré que l'activité physique compensait les effets d'un gène favorisant l'obésité, une variante courante de la FTO. L'étude, menée auprès de 17 058 Danois, a révélé que les personnes porteuses du gène favorisant l'obésité et inactives avaient un IMC plus élevé que les personnes inactives sans la variante du gène. Cependant, avoir une prédisposition génétique à l'obésité ne semblait pas avoir d'importance pour les personnes actives : leurs IMC n'étaient ni supérieurs ni inférieurs à ceux des personnes qui n'avaient pas le gène de l'obésité. (15)

Des travaux ultérieurs sur la relation entre le gène FTO, l'activité physique et l'obésité ont donné des résultats contradictoires. (16󈝾) Pour arriver à une réponse plus définitive, les enquêteurs ont récemment combiné et réanalysé les données de 45 études chez l'adulte et 9 études chez l'enfant, soit près de 240 000 personnes au total. (19) Ils ont découvert que les personnes porteuses de la variante du gène FTO favorisant l'obésité avaient un risque d'obésité 23% plus élevé que celles qui n'en avaient pas. Mais encore une fois, être physiquement actif réduisait le risque : les adultes actifs porteurs du gène favorisant l'obésité avaient un risque d'obésité 30 % inférieur à celui des adultes inactifs porteurs du gène.

La plupart des gens ont probablement une prédisposition génétique à l'obésité, en fonction de leurs antécédents familiaux et de leur origine ethnique. Passer de la prédisposition génétique à l'obésité elle-même nécessite généralement un certain changement dans le régime alimentaire, le mode de vie ou d'autres facteurs environnementaux. Certains de ces changements incluent les suivants :

  • la disponibilité immédiate de nourriture à toute heure de la journée et dans des endroits qui ne vendaient pas de nourriture, tels que les stations-service, les pharmacies et les magasins de fournitures de bureau
  • une diminution spectaculaire de l'activité physique pendant le travail, les activités domestiques et les loisirs, en particulier chez les enfants
  • augmentation du temps passé à regarder la télévision, à utiliser des ordinateurs et à effectuer d'autres activités sédentaires et
  • l'afflux d'aliments hautement transformés, de restauration rapide et de boissons sucrées, ainsi que les campagnes de marketing omniprésentes qui en font la promotion.

Conclusion : des environnements et des modes de vie sains peuvent contrecarrer les risques liés aux gènes

Une meilleure compréhension des contributions génétiques à l'obésité, en particulier de l'obésité courante, et des interactions gène-environnement générera une meilleure compréhension des voies causales qui mènent à l'obésité. De telles informations pourraient un jour déboucher sur des stratégies prometteuses pour la prévention et le traitement de l'obésité. Mais il est important de se rappeler que dans l'ensemble, la contribution des gènes au risque d'obésité est faible, tandis que la contribution de notre environnement alimentaire et d'activités toxiques est énorme. Comme l'a écrit un scientifique, « les gènes peuvent co-déterminer qui devient obèse, mais notre environnement détermine combien de personnes deviennent obèses. » (20) C'est pourquoi les efforts de prévention de l'obésité doivent se concentrer sur la modification de notre environnement afin de faciliter les choix sains. , pour tous.

Les références

1. Hu F. Prédicteurs génétiques de l'obésité. Dans : Hu F, éd. Épidémiologie de l'obésité. New York : Oxford University Press, 2008 437-460.

2. Farooqi S, O’Rahilly S. Génétique de l'obésité chez l'homme. Endocr Rev. 2006 27:710-18.

3. Maes HH, Neale MC, Eaves LJ. Facteurs génétiques et environnementaux dans le poids corporel relatif et l'adiposité humaine. Comporter Genet. 1997 27:325-51.

4. Dina C, Meyre D, Gallina S, et al. La variation du FTO contribue à l'obésité infantile et à l'obésité sévère chez l'adulte. Nat Genet. 2007 39:724-6.

5. Frayling TM, Timpson NJ, Weedon MN, et al. Une variante courante du gène FTO est associée à l'indice de masse corporelle et prédispose à l'obésité chez les enfants et les adultes. Science. 2007 316:889-94.

6. Loos RJ, Lindgren CM, Li S, et al. Les variantes courantes proches de MC4R sont associées à la masse grasse, au poids et au risque d'obésité. Nat Genet. 2008 40:768-75.

7. Qi L, Kraft P, Hunter DJ, Hu FB. La variante courante de l'obésité à proximité du gène MC4R est associée à des apports plus élevés en énergie totale et en graisses alimentaires, à un changement de poids et à un risque de diabète chez les femmes. Hum Mol Genet. 2008 17:3502-8.

8. O’Rahilly S. La génétique humaine éclaire les voies menant aux maladies métaboliques. La nature. 2009 462:307-14.

9. Speliotes EK, Willer CJ, Berndt SI, et al. Association analyses of 249,796 individuals reveal eighteen new loci associated with body mass index. Nat Genet. 2010 42:937-48.

10. Heid IM, Jackson AU, Randall JC. Meta-analysis identifies 13 novel loci associated with waist-hip ratio and reveals sexual dimorphism in the genetic basis of fat distribution. Nat Genet. 2010 42:949-60.

11. Walley AJ, Asher JE, Froguel P. The genetic contribution to non-syndromic human obesity. Nat Rev Genet. 2009 10:431-42.

12. Qi L, Cho YA. Gene-environment interaction and obesity. Nutr Rev. 2008 66:684-94.

15. Andreasen CH, Stender-Petersen KL, Mogensen MS, et al. Low physical activity accentuates the effect of the FTO rs9939609 polymorphism on body fat accumulation. Diabète. 2008 57:95-101.

16. Rampersaud E, Mitchell BD, Pollin TI, et al. Physical activity and the association of common FTO gene variants with body mass index and obesity. Arch Intern Med. 2008 168:1791-7.

17. Ruiz JR, Labayen I, Ortega FB, et al. Attenuation of the effect of the FTO rs9939609 polymorphism on total and central body fat by physical activity in adolescents: the HELENA study. Arch Pediatr Adolesc Med. 2010 164:328-33.

18. Jonsson A, Renstrom F, Lyssenko V, et al. Assessing the effect of interaction between an FTO variant (rs9939609) and physical activity on obesity in 15,925 Swedish and 2,511 Finnish adults. Diabetologia. 2009 52:1334-8.

19. KilpelinenTO, Qi L, Brage S, et al.Physical activity attenuates the influence of FTO variants on obesity risk: a meta-analysis of 218,166 adults and 19,268 children. PLoS Med. 20118:e1001116. Epub 2011 Nov 1.

20. Veerman JL. On the futility of screening for genes that make you fat. PLoS Med. 2011 Nov8(11):e1001114. Epub 2011 Nov 1.

21. Qi, Q, Chu, AY, Kang, JH, Huang, J, Rose, LM, Jensen, MK, Liang, L, Curhan, GC, Pasquale, LR, Wiggs, JL, De Vivo, I, Chan, AT, Choi, HK, Tamimi, RM, Ridker, PM, Hunter, DJ, Willett, WC, Rimm, EB, Chasman, DI, Hu, FB, Qi, L. (2014). Fried food consumption, genetic risk, and body mass index: gene-diet interaction analysis in three US cohort studies. BMJ 19348:g1610.

22. Asai M Ramachandrappa S Joachim M Shen Y Zhang R Nuthalapati N Ramanathan V Strochlic, DE Ferket P Linhart K, Ho C Novoselova, TV Garg S Ridderstr


Persistence of Deleterious Mutations

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Despite their harmful nature, why do deleterious genes persist in the genome of organisms? This could be due to a number of reasons, such as the rate of elimination of these mutations may be low compared to the rate at which they appear. Other probable reasons are as follows.

Heterozygote Advantage

This is the condition where the possession of two different copies of a gene (wild-type and mutant) is beneficial to the organism, rather than detrimental. An example of this is the mutation that occurs in the hemoglobin gene, resulting in the condition called sickle cell anemia (SCA). In this case, the homozygote for the mutant allele will show a deleterious effect, i.e, the individual will suffer from SCA (all RBCs will be sickle-shaped). However, if the individual is a heterozygote, the recessive nature of the condition will render him a carrier (Partial sickling of RBCs) of the condition. This is beneficial, since the malarial parasite P. falciparum that infects red blood cells and deprives them of oxygen will be unable to infect the sickled cells and lead to a malarial infection. In other words, the partial sickling of RBCs of a carrier render that person immune to malaria. On the other hand, a wild-type homozygote individual would be susceptible to the malarial infection.

No Effect on Reproductive Fitness

In some cases, the deleterious effect of the mutation is exhibited at a later stage in life, by when the reproductive stage of the organism has already elapsed. Hence, the mutations are passed on despite their harmful nature, as the effect does not interfere or exhibit itself during the reproductive stage. An example of this is the trinucleotide repeat mutations seen in the HD gene that causes Huntington’s disease. In this case, the effects of the disease are seen after the age of 40, and till then, the individual has already reproduced and passed this deleterious mutation onto the offspring. Despite this affecting the fitness of the individual, it persists, since it does not affect the reproductive fitness of the individual, but merely shortens the lifespan.

Maintained by Mutations

Some mutations may keep arising in certain genes despite the elimination efforts taken by the organisms genome. This may be due to the hyper-mutable nature of the gene, and also because the gene maybe too vital to tamper with (to prevent the induction of other accidental errors). An example of this is the NF gene, which when mutated, gives rise to a condition called neurofibromatosis, that causes tumors of the nervous system. Here, it may be difficult to remove the mutation, since any unwanted disruption in the gene sequence will only cause further damage. Also, even in case this mutation is eliminated, the gene does have a high tendency to mutate almost 1 in every 4,000 gametes possesses new mutations of this gene.

Maintained by Gene Flow

This refers to the prevalence of a mutated gene copy in a population to its introduction by another population that has migrated to the same location. As mentioned above, the SCA mutation is beneficial to areas with rampant malaria, as is the case with the regions of the African continent. However, when the carriers residing in this area migrated to other countries with a low incidence of malaria, the SCA mutation was introduced into the populations of those countries. Therefore, human migration brought about the flow of genetic material from Africa to other countries, where this mutation, in the absence of malarial incidence, was purely detrimental.

Polyploidy of Genome

Deleterious mutations are usually recessive in nature. If a haploid organism possesses a deleterious mutation, the effect can be readily observed, crippling the organisms fitness, and resulting in its demise. However, in case the organism is a diploid or polyploid with multiple alleles of a gene, the detrimental effect can be silenced or overridden by the presence of a fully functional wild-type allele. While this prevents the expression of the mutated allele, it does not eliminate it, causing it to persist in the population, till two individuals with the same allele reproduce and give rise to an offspring that will suffer the deleterious effects of the mutation.

Although the cellular repair machinery, along with the proofreading mechanisms, try to eliminate the mutations, certain mutations are not rectified or are actively conserved (as explained above). The accumulation of mutations, by this way, over the course of several generations, leads to an effect called Muller’s ratchet, which may lead to the extinction of the species of that organism. This effect is a principle studied in reference to the extinction of species, and the effort to conserve those on the brink of extinction.

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