Les génomes de 240 mammifères montrent ce qui rend les humains uniques

Au cours des 100 derniers millions d’années, les mammifères ont évolué pour habiter presque tous les environnements de la Terre, présentant une gamme variée de caractéristiques et de capacités uniques.

Le projet Zoonomia, une initiative scientifique multinationale et multidisciplinaire, a travaillé avec diligence pour comprendre cette diversité en examinant les séquences d’ADN de 240 espèces de mammifères existantes, notamment les aardvarks, les éléphants de savane africaine, les damans des rochers à points jaunes et les zébus.

Cette semaine, un numéro spécial de Science a publié plusieurs articles de l’équipe de Zoonomia, montrant le pouvoir de la génomique comparative pour faire la lumière sur les capacités extraordinaires de diverses espèces et pour aider les scientifiques à mieux comprendre les aspects fonctionnels de notre propre génome, avec des implications potentielles pour la recherche sur la santé et les maladies.

Les chercheurs ont identifié des régions de génomes de mammifères qui sont restées conservées, ou inchangées, à travers les espèces et des millions d’années d’évolution, ce qui implique une importance biologique.

Comment l’étude a été réalisée

En analysant des échantillons d’ADN collectés dans plus de 50 institutions dans le monde, dont beaucoup de la San Diego Wildlife Alliance, l’équipe a également découvert la base génétique de traits de mammifères rares tels que l’hibernation et la capacité de détecter de faibles odeurs à des kilomètres de distance.

De plus, ils ont pu identifier les espèces qui pourraient être particulièrement vulnérables à l’extinction et identifier les variantes génétiques qui pourraient avoir un rôle causal dans les maladies humaines rares et courantes.

Le projet Zoonomia est un effort de collaboration mondial, avec plus de 150 personnes de sept fuseaux horaires contribuant à la création de la plus grande ressource génomique comparative de mammifères au monde.

Le projet est dirigé par Elinor Karlsson, directeur du groupe de génomique des vertébrés au Broad Institute du MIT et de Harvard, et professeur de bioinformatique et de biologie intégrative à la UMass Chan Medical School ; et Kerstin Lindblad-Toh, directeur scientifique de la génomique des vertébrés au Broad, et professeur de génomique comparative à l’Université d’Uppsala en Suède.

« L’un des plus gros problèmes de la génomique est que les humains ont un très gros génome et nous ne savons pas ce que tout cela fait », a déclaré Karlsson. « Ce paquet d’articles montre vraiment l’éventail de ce que vous pouvez faire avec ce type de données et tout ce que nous pouvons apprendre en étudiant les génomes d’autres mammifères. »

Des traits exceptionnels découverts

Dans l’une des études, les co-premiers auteurs Matthew Christmas, chercheur à l’Université d’Uppsala, et Irene Kaplow, chercheuse postdoctorale à l’Université Carnegie Mellon, ont collaboré avec des chefs de projet pour découvrir des informations fascinantes sur le rôle des régions génomiques conservées.

Les chercheurs ont découvert qu’au moins 10 % du génome humain est hautement conservé d’une espèce à l’autre, bon nombre de ces régions se trouvant en dehors des gènes codant pour les protéines. Étonnamment, plus de 4 500 éléments sont presque parfaitement conservés dans plus de 98 % des espèces étudiées.

La plupart de ces régions conservées, qui ont évolué plus lentement que les fluctuations aléatoires du génome, sont impliquées dans le développement embryonnaire et la régulation de l’expression de l’ARN. En revanche, les régions qui changeaient plus fréquemment façonnaient l’interaction d’un animal avec son environnement, influençant des facteurs tels que les réponses immunitaires ou le développement de sa peau.

En plus de ces découvertes, les chercheurs ont également identifié des parties du génome liées à quelques traits exceptionnels dans le monde des mammifères, comme une taille de cerveau extraordinaire, un odorat supérieur et la capacité d’hiberner pendant l’hiver.

Karlsson et Lindblad-Toh ont souligné l’importance de ces recherches pour la préservation de la biodiversité. Ils ont découvert que les mammifères présentant moins de changements génétiques sur les sites conservés du génome couraient un plus grand risque d’extinction.

Les scientifiques soutiennent que le fait d’avoir un seul génome de référence par espèce pourrait aider à identifier les espèces à risque. Actuellement, moins de cinq pour cent de toutes les espèces de mammifères ont des génomes de référence, soulignant la nécessité de poursuivre les travaux pour développer ces méthodes.

Aperçus trouvés sur les causes de la maladie humaine

Dans une autre étude du projet Zoonomia, des chercheurs dirigés par Elinor Karlsson et Kerstin Lindblad-Toh ont utilisé des génomes de mammifères pour étudier les caractéristiques et les maladies humaines.

L’équipe s’est concentrée sur certaines des régions génomiques à une seule lettre les plus conservées identifiées dans un article précédent et les a comparées à des variantes génétiques que les scientifiques ont précédemment liées à des maladies telles que le cancer en utilisant d’autres méthodes. Cette recherche a également révélé des découvertes importantes.

L’équipe a découvert que leurs annotations du génome basées sur la conservation évolutive fournissaient plus de liens entre les variantes génétiques et leur fonction que d’autres méthodes.

De plus, ils ont identifié des mutations qui sont probablement causales dans les maladies rares et courantes, y compris le cancer, et ont démontré que l’utilisation de la conservation dans les études sur les maladies pourrait faciliter la recherche de changements génétiques qui augmentent le risque de maladie.

Cette deuxième étude a été co-écrite par Patrick Sullivan, directeur du Center for Psychiatric Genomics de la faculté de médecine de l’Université de Caroline du Nord, Chapel Hill et professeur de génétique psychiatrique au Karolinska Institutet en Suède ; Jennifer Meadows, chercheuse en génétique à l’Université d’Uppsala en Suède ; et Steven Gazal, professeur adjoint de sciences de la population et de la santé publique à la Keck School of Medicine de l’Université de Californie du Sud.

De nombreuses questions laissées sans réponse

Une troisième étude, codirigée par Steven Reilly, professeur adjoint de génétique à l’Université de Yale, et Pardis Sabeti, membre de l’institut du Broad, a analysé plus de 10 000 délétions génétiques spécifiques à l’homme, en utilisant à la fois les données de Zoonomia et des analyses expérimentales. Les chercheurs ont pu relier certaines de ces délétions à la fonction des neurones.

D’autres découvertes notables du projet Zoonomia publiées aujourd’hui incluent la révélation que les mammifères se sont diversifiés avant l’extinction massive des dinosaures.

De plus, les chercheurs ont découvert une explication génétique expliquant pourquoi un célèbre chien de traîneau des années 1920 nommé Balto a pu survivre dans le paysage hostile de l’Alaska. Ils ont également découvert des changements spécifiques à l’homme dans l’organisation du génome et ont utilisé l’apprentissage automatique pour identifier les régions du génome associées à la taille du cerveau.

En outre, les experts ont décrit l’évolution des séquences régulatrices dans le génome humain, se sont concentrés sur les séquences d’ADN qui se déplacent dans le génome et ont découvert que les espèces dont les populations sont historiquement plus petites sont aujourd’hui plus à risque d’extinction.

Les chercheurs suggèrent que ces études – et l’étendue des questions auxquelles elles répondent – ne représentent qu’une fraction de ce qui est possible.

« Nous sommes très enthousiastes à l’idée de séquencer des espèces de mammifères », a déclaré Lindblad-Toh.

Les découvertes faites par le projet Zoonomia contribuent à notre compréhension de la conservation et de l’évolution du matériel génétique chez les mammifères. Ils soulignent également le potentiel de mise à profit de ces connaissances pour éclairer la recherche médicale et améliorer notre compréhension de la santé et des maladies humaines.

La recherche ouvre la voie à de nouvelles opportunités passionnantes dans les domaines de la génomique, de la biologie évolutive et de la médecine.

En savoir plus sur le projet du génome humain

Le projet du génome humain (HGP) était une initiative de recherche scientifique internationale qui visait à cartographier et à séquencer l’ensemble du génome humain, qui est l’ensemble complet de l’ADN présent dans le corps humain.

Le projet a débuté en 1990 et s’est achevé en 2003, impliquant des milliers de scientifiques du monde entier. Les principaux objectifs du HGP étaient d’identifier les quelque 20 000 à 25 000 gènes codant pour les protéines dans l’ADN humain, de déterminer les séquences des trois milliards de paires de bases chimiques qui composent le génome humain et de stocker ces informations dans des bases de données pour un accès facile. et analyse.

Le projet du génome humain est d’une immense importance pour la science et l’humanité pour plusieurs raisons :

Comprendre la base génétique des maladies humaines

En cartographiant le génome humain, les scientifiques peuvent identifier les gènes associés à des maladies et affections spécifiques, ouvrant la voie à des traitements plus efficaces, à des diagnostics plus précoces et même à une médecine personnalisée adaptée à la constitution génétique d’un individu.

Biologie de l’évolution

Le HGP a approfondi notre compréhension de l’évolution humaine et des relations entre les différentes espèces. En comparant le génome humain à ceux d’autres organismes, les chercheurs peuvent mieux comprendre les processus évolutifs qui ont façonné l’espèce humaine.

Développement de nouvelles technologies

Le HGP a permis le développement de nouvelles techniques et outils de séquençage et d’analyse de l’ADN, qui ont depuis été appliqués à l’étude d’autres organismes et ont révolutionné le domaine de la génomique.

Régulation et fonction des gènes

Le HGP a fait progresser notre compréhension de la façon dont les gènes sont régulés et de leur fonctionnement dans le contexte de l’ensemble du génome. Ces connaissances sont essentielles pour comprendre les interactions complexes entre les gènes et leurs effets sur la santé humaine et la maladie.

Implications éthiques, juridiques et sociales

Le HGP a suscité d’importantes discussions concernant les implications éthiques, juridiques et sociales de la recherche génomique, telles que les problèmes de confidentialité, la discrimination génétique et le potentiel des technologies d’édition de gènes.

En résumé, le projet du génome humain a eu un impact profond sur la science et l’humanité en fournissant une compréhension globale du génome humain, conduisant à des progrès en médecine, en biologie évolutive et en génomique.

Les connaissances acquises grâce au HGP ont ouvert de nouvelles voies de recherche et ont le potentiel de révolutionner notre approche de la santé et des maladies humaines.