Nous sommes tous des mutants. Chaque caractéristique qui définit notre espèce est le résultat d’une mutation génétique quelque part dans l’histoire de l’évolution. Et il en va de même pour tous les autres organismes de la planète. Pourtant, le plus souvent, nous considérons les mutations comme mauvaises, entraînant des handicaps ou des maladies. Alors, à quelle fréquence ces modifications de l’ADN sont-elles nuisibles et combien d’entre elles sont potentiellement utiles ? Une nouvelle étude suggère que les mutations létales pourraient être beaucoup moins fréquentes que nous le pensions, du moins chez les bactéries.
La plupart des mutations de l’ADN sont causées par des erreurs qui se produisent lorsqu’une cellule fait une copie de toute son information génétique afin de pouvoir se diviser en deux nouvelles cellules. Les bactéries telles que E. coli doivent copier environ cinq millions de lettres du code ADN. Pour les humains, c’est environ 3,2 milliards de lettres d’ADN dans les œufs et le sperme, et le double dans les autres cellules du corps.
Malgré des systèmes sophistiqués pour détecter et réparer les erreurs de copie au fur et à mesure qu’elles se produisent, certaines passent occasionnellement entre les mailles du filet. La plupart donnent lieu à ce que l’on appelle des « mutations ponctuelles », car elles n’impliquent qu’un seul changement de lettre de l’ADN. Pourtant, même celles-ci peuvent parfois entraîner des changements importants, en modifiant les gènes et les protéines qu’ils produisent. Cela peut à son tour affecter la façon dont le corps se développe ou fonctionne.
Les mutations peuvent être le moteur de l’évolution, si elles donnent un avantage à un individu, cela signifie qu’il a plus de chances de survivre pour avoir des enfants et transmettre le gène muté. Les chances que des mutations aléatoires dans des millions ou des milliards de lettres de code soient bénéfiques peuvent sembler faibles. Mais la vie sur Terre existe depuis quatre milliards d’années, les échelles de temps de l’évolution sont donc vastes.
Pour autant, les mutations peuvent aussi provoquer de graves problèmes de santé, dont certains peuvent également être hérités. Des chercheurs français ont récemment essayé de déterminer la fréquence à laquelle les mutations étaient réellement nuisibles, en utilisant la bactérie E. coli comme modèle. Lydia Roberts et ses collègues ont utilisé une technique ingénieuse qui leur a permis de visualiser les modifications de l’ADN survenues pendant que les bactéries se divisaient réellement.
La façon habituelle d’estimer les taux de mutation dans les bactéries consiste à les cultiver sur des plaques de gélose, des plats en plastique contenant une gelée riche en nutriments pour les microbes. Mais le problème de cette approche est que toute bactérie qui acquiert une mutation létale meurt évidemment, de sorte que l’information sur ces changements génétiques est définitivement perdue.
Pour contourner ce problème, les chercheurs français ont utilisé une minuscule puce contenant 1 000 canaux microscopiques, dans lesquels est acheminé un bouillon nutritif liquide. Les nouvelles cellules produites après chaque division cellulaire restent dans les canaux, indépendamment de toute mutation nuisible qui pourrait affecter leur survie.
L’équipe a ensuite utilisé l’imagerie time-lapse, combinée à un marqueur fluorescent qui clignote chaque fois qu’une mutation se produit. Cela a permis de produire des vidéos impressionnantes des bactéries qui se multiplient et mutent, rappelant les lignes de code représentées dans le film de science-fiction The Matrix.
Les résultats, publiés dans Science, suggèrent que les mutations ponctuelles chez les bactéries se produisent à un rythme constant d’environ une toutes les 600 heures. A la surprise des chercheurs, ils ont également découvert que seulement environ 1% de ces changements d’ADN étaient létaux pour les bactéries – beaucoup moins que ce que l’on pensait auparavant.
Il semble que, chez les bactéries au moins, la plupart des mutations peuvent ne pas avoir d’effet du tout sur la survie. Elles ne sont ni « mauvaises » ni « bonnes », mais simplement des spectatrices de l’évolution. Les chercheurs qui cherchent à comprendre comment les mutations génétiques provoquent des maladies chez l’homme se posent des questions similaires. Les résultats de grands projets tels que le projet britannique 100 000 génomes devraient permettre de révéler quelles mutations provoquent des maladies et lesquelles sont sans conséquence.
Au delà du bon et du mauvais
Mais nous savons aussi que catégoriser les mutations comme bonnes ou mauvaises peut parfois être très difficile. Cela dépend souvent du contexte, par exemple si la mutation aide l’organisme à utiliser une source de nourriture particulière ou à lutter contre une maladie présente au cours de sa vie. Et certaines mutations peuvent être bénéfiques si une seule copie est héritée, mais nuisibles si deux copies sont héritées. Un exemple de mutation génétique soumise à ce type de « sélection équilibrante » est la drépanocytose.
Les personnes atteintes de drépanocytose ont une mutation génétique qui produit une forme altérée d’hémoglobine, la protéine des globules rouges qui transporte l’oxygène dans le corps. L’hémoglobine altérée produit de longues cellules sanguines en forme de faucille qui peuvent se coincer dans les petits vaisseaux sanguins. Cela provoque des douleurs dans la poitrine et les articulations, ainsi qu’une anémie, un risque accru d’infections et d’autres problèmes.
Pourtant, malgré ces effets potentiellement dévastateurs sur la santé, la maladie est relativement courante dans certains pays. On estime que 300 000 nourrissons ayant hérité de deux copies de la mutation du gène de la drépanocytose (une de chaque parent) naissent avec la maladie chaque année, principalement au Nigeria, en République démocratique du Congo et en Inde.
C’est parce que les personnes ayant une copie de la mutation sont résistantes au paludisme, et ont donc plus de chances de survivre jusqu’à l’âge adulte et de transmettre le gène muté à leurs enfants. Ainsi, même si le fait d’avoir la drépanocytose est un désavantage sur le plan de l’évolution, les porteurs non affectés de la mutation du gène ont un avantage de survie dans les pays où le paludisme sévissait (ou sévit toujours).
Une étude américaine récente suggère que toutes les personnes vivant aujourd’hui avec cette maladie descendent d’un seul ancêtre qui vivait il y a environ 7 300 ans soit au Sahara, soit en Afrique centrale occidentale. Cela montre comment une mutation unique peut se propager à de très nombreux individus dans une population si elle confère un avantage significatif, même si elle a aussi le potentiel de nuire. De même, il existe des preuves qu’une seule copie de la mutation du gène de la mucoviscidose peut avoir fourni à nos ancêtres une résistance au choléra, et que les porteurs de la maladie de Tay-Sachs ont une résistance à la tuberculose.
Une meilleure compréhension des effets des mutations pourrait jouer un grand rôle dans le traitement des maladies. Par exemple, l’étude des taux de mutation dans différents types de cellules pourrait éclairer la façon dont le cancer apparaît dans différents tissus corporels. Et la compréhension des taux de mutation bactérienne pourrait aider les scientifiques à combattre les microbes qui ont développé une résistance aux antibiotiques. À terme, cela contribuera à inaugurer une nouvelle ère de la médecine, dans laquelle de nombreuses maladies seront diagnostiquées et traitées à l’aide de l’information génétique. Et cela ne peut être que bénéfique.