Nos chercheurs retracent pour la première fois grâce à l’étude de ses mutations l'évolution d’un organisme modèle

Elle ressemble à un ballon de baudruche perdu dans un monde réduit au micromètre. Très utilisée dans les fermentations alimentaires, la levure Saccharomyces cerevisiae est également un « organisme modèle ».  Autrement dit, on la retrouve sur la paillasse de nombreux laboratoires, car sa machinerie cellulaire ressemble étonnamment à la nôtre.  Une étude américaine publiée en 2015  a ainsi montré que des gènes humains placés dans la levure restaient fonctionnels. « Pour environ la moitié des gènes de la levure, si on met à la place les orthologues (2) humains, ceux-ci peuvent restaurer les fonctions correspondantes et la levure survivra », illustre Gianni Liti,  chargé de recherche CNRS et responsable de l’équipe « Génomique des Populations et Analyse des Caractères Complexes » à l’IRCAN.  « Cela prouve la très grande conservation de fonction entre nos deux espèces. Pratiquement tous les aspects de la biologie cellulaire ont été étudiés au début dans la levure et plusieurs lauréats du prix Nobel ont été récompensés pour leurs travaux sur cet organisme », poursuit le biologiste.  

Son équipe, avec celle de Joseph Schacherer à Strasbourg et avec le Genoscope a donc entrepris ni plus ni moins que de retracer l’évolution de Saccharomyces cerevisiae. Ce travail, sélectionné par le programme France Génomique, vient d’être publié dans la revue Nature. Malgré quelques spécimen sauvages manquant à l’appel du microscope en Amérique du Sud et en Afrique notamment, les chercheurs ont pu analyser 1011 génomes complets. Ceux-ci sont issus de souches sauvages et domestiquées, c’est-à-dire sélectionnées par les humains pour leurs propriétés de fermentation. Grâce à ces travaux, la communauté scientifique dispose désormais de l’une des meilleures compréhensions de la diversité génétique et phénotypique chez un organisme modèle eucaryote (doté d’un noyau abritant l’ADN à l’intérieur de la cellule). 

La grande diversité génétique observée entre les représentants du genre Saccharomyces cerevisiae en Asie du Sud-est semble ainsi indiquer que l’espèce serait apparue en Chine. « Comme chez l’humain, plus une souche est ancienne, plus on observe en son sein l’accumulation de mutations et donc de la diversité entre les individus », explique Gianni Liti. La recherche menée met également en évidence l’impact de l’activité anthropique sur la biodiversité de la levure. « C’est comme une sélection naturelle. C’est la même idée.  Probablement, ce qui s’est passé c’est que les gens ont commencé à utiliser la levure sans le savoir, en  exportant sélectivement des produits alimentaires avec certaines caractéristiques.  La différence entre la domestication de la levure et celle des plantes est que la levure est microscopique et il y a encore cinquante ans on ne pouvait pas la manipuler, tout était spontané. Par exemple, on ne peut pas prendre deux souches et les croiser comme pour un pommier », raconte le biologiste. 

 La domestication laisse une signature spécifique

Les effets de cette domestication sont alors variables. Certains processus fermentatifs laissent une « signature spécifique » dans le génome, les travaux ayant permis de distinguer le génome « de base »,(4940 gènes présents dans tous les isolats) et le génome « accessoire » (2908 gènes présents uniquement dans une fraction de la population). Ce dernier en particulier s’est révélé être sujet à différents types de mutations, comme l’intégration de gènes provenants d’une autre espèce. Ce phénomène s’illustre chez homo sapiens (l’homme actuel) par la présence de 1 à 2% de gènes néandertaliens dans son ADN. Autre exemple, les souches utilisées dans la production de bière sont issues de trois lignées indépendantes (avec des fonds génétiques distincts), mais leurs génomes partagent la particularité d’être polyploïdes. Au lieu d’avoir deux copies du chaque chromosome,   les levures de bière en ont trois, quatre, ou cinq.  Donc, la taille de leur génome est plus grande. « On parle d’évolution convergente », précise Gianni Liti. Les mêmes modifications s’observent chez ces trois lignées au fil du temps, plusieurs fois et indépendamment les unes des autres. 

« Cela est probablement lié au processus de fermentation de la bière », estime le chercheur. En revanche, les sakés demeurent tous très similaires entre eux. « Il y a peu de diversité et je crois que cela reflète leur filiation à partir d’une souche unique », poursuit le chef d’équipe de l’IRCAN. Pour le vin, la diversité, également restreinte, peut s’expliquer par l’étendue géographique de la zone de fabrication. « Mais jusqu’à il y a 50 ans, la production reposait pour beaucoup sur une fermentation spontanée; on n’ajoutait pas de levures comme c’est devenu le cas aujourd’hui », décode encore Gianni Liti. Les mutations « sauvages » ou « naturelles » s’avèrent, elles, ponctuelles. Il s’agit des délétions, insertions ou inversions observées sur une seule unité à l’intérieur d’un gène et susceptibles ou pas de se transmettre de génération en génération, avec ou non des incidences « visibles »sur l’organisme. Lorsqu’elles sont conservées au sein de l’espèce on dira qu’elles créent du « polymorphisme ». « Les nouvelles technologies génomiques nous permettent de reconstruire des génomes complets.  Grâce à cela, on peut reconstituer ces événements ponctuels… Cela fait partie de notre travail actuel, dans un projet différent. C’est important de parvenir à détecter ce type de variations, car le cancer et d’ autres maladies sont peut-être provoqués par une inversion dans un gène normal conduisant à un changement de son expression ou de sa protéine », termine Gianni Liti.