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La recherche génétique moderne travaille souvent avec ce que l'on appelle des génomes de référence. Un tel génome comprend des données provenant de séquences d'ADN que les scientifiques ont assemblées comme un exemple représentatif de la composition génétique d'une espèce.
Pour créer le génome de référence, les scientifiques utilisent généralement des séquences d'ADN provenant d'un seul ou de quelques individus, ce qui peut mal représenter la diversité génomique complète des individus ou des sous-populations. Il en résulte qu'une référence ne correspond pas toujours exactement à l'ensemble des gènes d'un individu spécifique.
Jusqu'à il y a quelques années, il était très laborieux, coûteux et long de générer de tels génomes de référence. Pour cette raison, les scientifiques se concentraient sur les génomes humains et les organismes modèles biologiques les plus importants, tels que le ver rond C. elegans.
Cependant, comme les scientifiques ont maintenant accès à des machines de séquençage rapides, à des algorithmes sophistiqués qui assemblent les lectures de séquences d'ADN en chromosomes complets, et à une puissance de calcul beaucoup plus grande, la création de génomes de référence pour d'autres espèces est devenue de plus en plus pratique. Si les chercheuses et chercheurs veulent mieux comprendre l'évolution et d'autres questions fondamentales de la biologie, ils ont besoin de génomes de référence de haute qualité pour le plus grand nombre d'espèces possible.
Cela inclut le bétail. Pour les bovins domestiques (Bos taurus), un seul génome de référence était disponible jusqu'à récemment : celui d'une vache Hereford appelée Dominette. Les scientifiques avaient auparavant comparé d'autres séquences d'ADN de bovins à cette référence pour détecter les variations génétiques et définir les génotypes correspondants. Cependant, comme elle ne contenait pas de variantes génétiques par lesquelles les individus diffèrent, la référence précédente ne reflétait pas la diversité de l'espèce.
Lacunes comblées
Une équipe de recherche dirigée par Hubert Pausch, professeur adjoint de génomique animale à l'ETH Zurich, vient de combler cette lacune : avec les génomes de trois autres races de bovins domestiques, dont la race suisse brune (Original Schweizer Braunvieh), de deux (sous-)espèces étroitement apparentées comme le zébu et le yak, et le génome de référence existant pour les bovins domestiques, les scientifiques ont créé un «pangénome». L'étude détaillant ces résultats vient d'être publiée dans la revue scientifique PNAS.
Ce pangénome bovin intègre les séquences contenues dans les six génomes de référence individuels. «Cela signifie que nous pouvons révéler très précisément les séquences qui manquent, par exemple, dans le génome de référence basé sur la race Hereford, mais qui sont présentes, par exemple, dans notre génome Suisse Brune ou dans les génomes d'autres races et espèces bovines», explique M. Pausch.
Découverte de nouveaux gènes et de nouvelles fonctionnalités
Les scientifiques de l'ETH Zurich ont ainsi découvert de nombreuses séquences d'ADN et même des gènes entiers qui manquaient dans le précédent génome de référence de la vache Hereford. Dans une étape ultérieure, ils ont étudié les transcrits de ces gènes (molécules d'ARN messager), ce qui leur a permis de classer certaines des séquences nouvellement découvertes comme fonctionnellement et biologiquement pertinentes. Plusieurs des gènes qu'ils ont découverts sont liés aux fonctions immunitaires : chez les animaux ayant été en contact avec des bactéries pathogènes, ces gènes étaient plus ou moins actifs que chez les animaux n'ayant pas eu de contact avec les agents pathogènes.
Ce projet a été rendu possible par une nouvelle technologie de séquençage disponible depuis un an au Functional Genomics Center de Zurich. Grâce à cette nouvelle technologie, les scientifiques sont en mesure de lire avec précision de longues sections d'ADN, ce qui réduit la complexité du processus informatique nécessaire pour assembler correctement les sections analysées. «La nouvelle technologie simplifie le processus d'assemblage des génomes. Nous pouvons désormais créer des génomes de référence rapidement et avec précision en partant de zéro», explique Hubert Pausch. En outre, ces analyses sont également moins coûteuses, ce qui signifie que les chercheuses et chercheurs peuvent désormais générer des génomes de qualité de référence à partir de nombreux individus d'une espèce.
L'ETH Zurich collabore étroitement avec le Bovine Pangenome Consortium, qui souhaite créer un génome de référence d'au moins un animal de chaque race bovine dans le monde. Il prévoit également d'analyser de cette manière le patrimoine génétique des espèces sauvages apparentées aux bovins domestiques.
Possibilité d'une sélection plus ciblée
Le consortium et le professeur Pausch espèrent que la collection de génomes de référence les aidera à faire des découvertes utiles, comme les variantes génétiques qui ne sont plus présentes chez les animaux domestiqués, mais que leurs parents sauvages possèdent encore. Cela fournirait des indices sur les caractéristiques génétiques qui ont été perdues à la suite de la domestication.
«Les choses deviennent vraiment passionnantes lorsque nous comparons nos bovins indigènes avec le zébu ou avec des races adaptées à d'autres conditions climatiques», explique Hubert Pausch. Cela permet aux scientifiques de découvrir quelles variantes génétiques rendent les animaux des environnements tropicaux plus tolérants à la chaleur. L'étape suivante pourrait consister à utiliser délibérément des croisements pour introduire ces variantes dans d'autres races bovines ou à les introduire précisément par édition du génome. Toutefois, on en est encore loin. Pour l'instant, les chercheurs peuvent profiter de la rapidité et de la précision accrues que le nouveau pangénome bovin apporte au processus de détection des gènes et des variantes d'ADN qui diffèrent entre les races bovines.