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La menace pour la survie peut-elle augmenter les taux de mutation dans les cellules germinales ?

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Pouvez stress qui est lié à une menace de survie d'une population d'animaux ou de plantes dans un environnement, comme par exemple la faim, la soif, la peur des prédateurs, etc… ; entraîne une augmentation du taux de mutation moyen dans les cellules germinales des individus de cette population, augmentant ainsi la probabilité de produire des traits héréditaires qui pourraient être bénéfiques à cette population pour lutter contre ces conditions de survie défavorables dans cet environnement ?

Chez les bactéries, cela est connu sous le nom de « mutagensis induit par le stress »

Existe-t-il quelque chose de comparable chez les animaux et les plantes ?


Eh bien… puisque je ne peux pas supprimer cette réponse acceptée… ça va être un furet inversé, dans une certaine mesure. Un examen de 2014 par Ram et Hadany répertorie un bon nombre d'occurrences SIM en dehors des bactéries :

La mutagenèse induite par le stress (SIM) - l'augmentation des taux de mutation chez les individus stressés ou inadaptés - a été démontrée chez plusieurs espèces, y compris les procaryotes et les eucaryotes. [… ] Le SIM a également été observé dans les levures, les algues, les nématodes, les mouches et les cellules cancéreuses humaines.

Celui pour les algues (Goho et Bell, 2000) semble/affirme avoir été le premier :

Les cultures de Chlamydomonas ont été exposées à une gamme de stress relativement doux pendant une période de 24 h. Ces stress comprenaient des températures élevées et basses, un stress osmotique, un pH bas, la famine et le stress toxique. La fitness a ensuite été testée en tant que taux de division des cellules isolées sur gélose. Nous avons constaté qu'il y avait une forte tendance pour les cultures stressées à avoir une fitness moyenne plus faible et une plus grande variance standardisée de fitness que les témoins négatifs qui avaient été cultivés dans un milieu minimal non modifié. La même tendance a été montrée, comme prévu, par des témoins positifs qui ont reçu des doses mutagènes d'irradiation ultraviolette. Nous avons conclu que l'interprétation la plus raisonnable de ces observations est qu'un stress léger augmente le taux de mutation génomique. Cela semble être la première fois que ce phénomène est observé chez les eucaryotes.

L'article cité pour Drosophila, Sharp et Agrawal (2012)

Nos résultats montrent que les taux de mutation sont sensibles au stress génétique, de sorte que les individus ayant des génotypes de faible qualité produiront une progéniture de qualité génétique encore plus faible, dans une boucle de rétroaction positive mutationnelle. Ce type de variation du taux de mutation devrait modifier une variété de prédictions basées sur la théorie de la charge de mutation et accélérer l'adaptation à de nouveaux environnements. La rétroaction mutationnelle positive pourrait affecter la santé humaine en augmentant le taux de mutation germinale, et peut-être de mutation somatique, chez les personnes en mauvaise santé en raison d'un stress génétique ou environnemental.

Il est clair que celui-ci est assez audacieux dans l'extrapolation de ses conclusions.

Et pour faire court, l'article sur les nématodes (Matsuba et al., 2012) trouve un taux de mutation dépendant de la température.

Ce qui semble être le point faible de ces articles, et peut-être pourquoi une revue plus critique de Lynch et al., 2016 de SIM ne les mentionne pas, c'est qu'aucun mécanisme médiateur explicite ne semble avoir été identifié dans ces études sur les eucaryotes. Dans les bactéries (par exemple le papier lié par l'OP), le fonctionnement de SIM à l'intérieur de la cellule est assez bien compris, il existe en fait plusieurs mécanismes qui répondent tous (de manière convergente) à diverses formes de stress.

Il y a une reconnaissance (dans l'article sur la drosophile), que de tels mécanismes chez les eucaryotes pourraient différer des bactéries

Les sources et les mécanismes sous-jacents à cette variation ont été mieux étudiés chez les microbes, mais les sources de variation chez les microbes peuvent différer de celles chez les eucaryotes multicellulaires pour plusieurs raisons. […]

Chez les animaux, le taux de mutation varie selon les génotypes, bien que les sources fonctionnelles de cette variation soient inconnues. […]

Cela va dans certaines théories sur la façon dont cela pourrait fonctionner.

Quant à la levure, Rodriguez et al. (2012)

La réparation des mésappariements (MMR) est une voie majeure de réparation de l'ADN dans les cellules de toutes les branches de la vie qui supprime les erreurs de réplication d'une manière spécifique au brin, de sorte que les nucléotides mésappariés sont préférentiellement supprimés du brin d'ADN nouvellement répliqué. Ici, nous démontrons un rôle pour le ROR en aidant à créer de nouveaux phénotypes dans les cellules non en division. Nous montrons que les mésappariements dans la levure qui échappent au MMR pendant la réplication peuvent ensuite être soumis à une activité MMR d'une manière indépendante du brin de réplication dans les cellules ne se divisant pas, résultant en une séquence d'ADN entièrement de type sauvage ou mutante. Dans un cas, cette activité est responsable de ce qui semble être une mutation adaptative. Cette activité MMR indépendante du brin de réplication pourrait contribuer à la formation de tumeurs apparaissant dans les cellules ne se divisant pas et pourrait également contribuer à la mutagenèse observée lors de l'hypermutation somatique des gènes Ig.

Je suppose qu'un point faible de cet article vis-à-vis de SIM (qu'ils ne mentionnent qu'en passant) est qu'il n'est pas évident dans leur configuration quel était le stress. Fondamentalement, ils ont vu un changement (adaptatif) du taux de mutation (en réponse à l'environnement), mais ils ne précisent pas exactement ce qu'ils pensent être le facteur de stress. Donc, cet article est en quelque sorte l'inverse des trois autres I, c'est-à-dire que le mécanisme est clair, mais pas le stress.


La mutation du bébé CRISPR augmente considérablement la mortalité

Dans une vidéo qu'il a publiée en novembre 2018, Jiankui He a expliqué pourquoi CRISPR éditait des embryons in vitro, puis implantait les embryons chez une femme chinoise. L'insémination artificielle a entraîné la naissance l'année dernière de deux filles apparemment en bonne santé avec des mutations génétiques du gène CCR5 qui sont maintenant liées à une augmentation significative de la mortalité.

REMARQUE 27/09/19 : Les scientifiques ont trouvé une erreur dans les données de génotypage de la UK Biobank utilisées dans cette étude qui annule les principaux résultats de cet article. S'il y a un effet de la mutation CCR5 delta-32 sur la mortalité, l'effet est probablement beaucoup plus petit que celui rapporté ici. Médecine naturelle a été contacté et le document sera retiré.

BERKELEY Une mutation génétique qu'un scientifique chinois a tenté de créer chez des bébés jumeaux nés l'année dernière, apparemment pour les aider à lutter contre l'infection par le VIH, est également associée à une augmentation de 21% de la mortalité plus tard dans la vie, selon une analyse de l'Université de Californie, Berkeley, scientifiques.

Les chercheurs ont scanné plus de 400 000 génomes et dossiers de santé associés contenus dans une base de données britannique, UK Biobank, et ont découvert que les personnes qui avaient deux copies mutées du gène avaient un taux de mortalité significativement plus élevé entre 41 et 78 ans que celles avec une ou aucune copie. .

Des études antérieures ont associé deux copies mutées du gène, CCR5, à une multiplication par quatre du taux de mortalité après une infection grippale, et le taux de mortalité global plus élevé peut refléter cette plus grande susceptibilité à mourir de la grippe. Mais les chercheurs disent qu'il pourrait y avoir un certain nombre d'explications, puisque la protéine pour laquelle CCR5 code, et qui ne fonctionne plus chez ceux qui ont la mutation dans les deux copies du gène, est impliquée dans de nombreuses fonctions corporelles.

"Au-delà des nombreux problèmes éthiques liés aux bébés CRISPR, le fait est qu'à l'heure actuelle, avec les connaissances actuelles, il est toujours très dangereux d'essayer d'introduire des mutations sans connaître le plein effet de ces mutations", a déclaré Rasmus Nielsen, un professeur de biologie intégrative à l'UC Berkeley. « Dans ce cas, ce n'est probablement pas une mutation que la plupart des gens voudraient avoir. Vous êtes en fait, en moyenne, pire de l'avoir.

"Parce qu'un gène peut affecter plusieurs traits et parce que, selon l'environnement, les effets d'une mutation peuvent être très différents, je pense qu'il peut y avoir de nombreuses incertitudes et des effets inconnus dans toute édition de lignée germinale", a déclaré le boursier postdoctoral Xinzhu "April" Wei.

Wei est le premier auteur et Nielsen est l'auteur principal d'un article décrivant la recherche qui paraîtra en ligne le lundi 3 juin dans la revue Médecine naturelle.

La mutation prévient l'infection par le VIH

Le gène CCR5 code pour une protéine qui, entre autres, se trouve à la surface des cellules immunitaires et aide certaines souches du VIH, dont les plus courantes, à y pénétrer et à les infecter. Jiankui He, le scientifique chinois qui en novembre dernier a choqué le monde en annonçant qu'il avait expérimenté le CCR5 sur au moins deux bébés, a déclaré qu'il voulait introduire une mutation dans le gène qui empêcherait cela. Les mutations naturelles qui désactivent la protéine sont rares chez les Asiatiques, mais une mutation trouvée chez environ 11% des Européens du Nord les protège contre l'infection par le VIH.

La mutation génétique, appelée 32 (Delta 32), fait référence à un segment manquant de 32 paires de bases dans le gène CCR5. Cette mutation interfère avec la localisation à la surface cellulaire de la protéine pour laquelle CCR5 code, contrecarrant la liaison au VIH et l'infection. Il n'a pas pu dupliquer la mutation naturelle, mais semble avoir généré une délétion similaire qui inactiverait également la protéine. L'un des bébés jumeaux aurait eu une copie de CCR5 modifiée par édition du gène CRISPR-Cas9, tandis que l'autre bébé avait les deux copies éditées.

Mais l'inactivation d'une protéine présente chez tous les humains et la plupart des animaux est susceptible d'avoir des effets négatifs, a déclaré Nielsen, en particulier lorsqu'elle est effectuée sur les deux copies du gène – une soi-disant mutation homozygote.

"Voici une protéine fonctionnelle dont nous savons qu'elle a un effet dans l'organisme, et elle est bien conservée parmi de nombreuses espèces différentes, il est donc probable qu'une mutation qui détruit la protéine ne soit, en moyenne, pas bonne pour vous", a-t-il déclaré. mentionné. « Sinon, les mécanismes évolutifs auraient détruit cette protéine il y a longtemps. »

Après que l'expérience de He soit devenue publique, Nielsen et Wei, qui étudient la variation génétique actuelle pour comprendre l'origine des traits humains, animaux et végétaux, ont décidé d'étudier l'effet de la mutation CCR5-∆32 en utilisant les données de UK Biobank. La base de données contient des informations génomiques sur un demi-million de citoyens britanniques qui sont liées à leurs dossiers médicaux. Les informations génomiques ressemblent beaucoup à celles acquises par Ancestry.com et 23andMe : des détails sur près d'un million de variations individuelles de la séquence génétique, appelées polymorphismes nucléotidiques simples (SNP).

Deux mesures indépendantes ont indiqué un taux de mortalité plus élevé pour les personnes ayant deux gènes mutés. Moins de personnes que prévu avec deux mutations inscrites dans la base de données, indiquant qu'elles étaient décédées à un taux plus élevé que la population générale. Et moins que prévu ont survécu entre 40 et 78 ans.

"Les proportions avant l'inscription et la survie après l'inscription racontent la même histoire, à savoir que vous avez une capacité de survie plus faible ou une mortalité plus élevée si vous avez deux copies de la mutation", a déclaré Nielsen. "Il y a simplement un manque d'individus avec deux copies."

Parce que la mutation ∆32 est relativement courante chez les Européens du Nord, elle a dû être favorisée par la sélection naturelle à un moment donné, a déclaré Nielsen, mais probablement pas pour protéger contre le VIH, puisque le virus ne circule parmi les humains que depuis les années 1980.

Wei a déclaré que certaines preuves relient la mutation à une survie accrue après un AVC et à une protection contre la variole et les flavivirus, un groupe qui comprend les virus de la dengue, du Zika et du Nil occidental.

Malgré ces avantages possibles, les effets involontaires potentiels de la création de mutations génétiques, à la fois dans les cellules somatiques adultes et dans les cellules germinales embryonnaires, incitent à la prudence, ont déclaré les chercheurs.

"Je pense qu'il y a beaucoup de choses qui sont inconnues au stade actuel sur les fonctions des gènes", a déclaré Wei. « La technologie CRISPR est beaucoup trop dangereuse pour être utilisée actuellement pour l'édition de la lignée germinale. »

Ce travail a été soutenu par les National Institutes of Health (R01GM116044).


Résumé

Chez les plantes, la gamétogenèse se produit tardivement dans le développement, et les mutations somatiques peuvent donc être transmises à la génération suivante. On pense que des périodes de croissance plus longues entraînent une augmentation du nombre de divisions cellulaires avant la gamétogenèse, avec une augmentation concomitante des mutations résultant d'erreurs de réplication. Cependant, il existe peu de preuves expérimentales indiquant combien de divisions cellulaires se produisent avant la gamétogenèse. Ici, nous avons mesuré la perte d'ADN télomérique et l'accumulation d'erreurs de réplication dans Arabidopsis avec des durées de vie courtes et longues pour déterminer le nombre de réplications dans les lignées menant aux gamètes. Étonnamment, le nombre de divisions cellulaires au sein de la lignée des gamètes est presque indépendant à la fois de la durée de vie et de la croissance végétative. Une conséquence du nombre relativement stable de réplications par génération est que les plantes plus âgées peuvent ne pas transmettre à leur progéniture des mutations plus somatiquement acquises. Nous avons confirmé cette hypothèse par séquençage génomique de la descendance de jeunes et vieilles plantes. Cette indépendance peut être obtenue par l'arrangement hiérarchique des divisions cellulaires dans les méristèmes végétaux où la croissance végétative est principalement accomplie par l'expansion des cellules dans les zones méristématiques à division rapide, qui ne sont que rarement rafraîchies par des divisions occasionnelles de cellules plus quiescentes. Nous soutenons ce modèle par des expériences de rétention de 5-éthynyl-2′-désoxyuridine dans les méristèmes apicaux des pousses et des racines. Ces résultats suggèrent que l'organisation des cellules souches a évolué indépendamment chez les plantes et les animaux pour minimiser les mutations en limitant la réplication de l'ADN.

Contrairement à la plupart des animaux, les plantes n'ont pas de lignée germinale définie par leur développement. Au lieu de cela, les gamètes sont dérivés tard dans le développement de la plante après des périodes variables de croissance végétative (1). Une conséquence importante de cette stratégie de développement est que les mutations somatiques acquises au cours de la croissance végétative peuvent être transmises à la génération suivante (2). De nombreuses études ont été menées pour tenter de comprendre si et comment les mutations somatiques contribuent à la fitness et à l'évolution des plantes (3 ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ –8). La réplication de l'ADN au cours de la division cellulaire est supposée être une cause majeure de mutation génétique (9 –11), et les taux de mutation sont fortement corrélés avec les duplications du génome dans de nombreux taxons (12 ⇓ ⇓ ⇓ –16). Ainsi, un obstacle critique aux études examinant le rôle de la mutation somatique dans l'évolution du génome végétal est le manque de connaissances sur le nombre de divisions cellulaires séparant un zygote de ses gamètes, une caractéristique appelée "profondeur cellulaire" (17), et comment cela le nombre change avec la croissance végétative. À notre connaissance, les estimations de la profondeur des cellules gamétiques chez les plantes se limitent à des calculs basés sur l'indice mitotique et les taux de croissance (5, 18) ou le nombre total de cellules et la teneur en ADN (19), qui ne fournissent aucune information sur les corrélations entre la profondeur des cellules et le développement.

Contrairement à la rareté des connaissances sur la profondeur des cellules, des analyses de lignées cellulaires ont été menées chez plusieurs espèces végétales. L'origine principale de tous les tissus aériens d'une plante est une structure en forme de dôme appelée méristème apical des pousses (SAM). Ces analyses de destin cellulaire ont démontré que les cellules souches au sein de la SAM n'ont pas de destin prédéterminé mais donnent naissance à des organes de manière probabiliste en fonction de leur localisation au sein de cette niche de cellules souches (20 ⇓ –23). Dans Arabidopsis, on estime que deux à quatre cellules génétiquement efficaces (CGE) dans la graine sèche sont les progéniteurs des rosettes tardives ainsi que des fleurs (20, 21, 24). Chez les mutants à floraison tardive qui subissent une croissance végétative prolongée, les feuilles supplémentaires produites sont dérivées de ces deux à quatre cellules, et non de la croissance expansée des cellules normalement responsables des feuilles plus précoces (25). Des résultats similaires ont été rapportés chez des mutants de maïs qui subissent une croissance végétative supplémentaire (26), suggérant qu'il s'agit d'une caractéristique conservée de la croissance des plantes. Il est généralement admis que sur des périodes de croissance plus longues, les divisions des cellules génétiquement efficaces augmenteront la profondeur cellulaire dans la SAM avant la floraison et la gamétogenèse, entraînant une augmentation du nombre de mutations somatiquement acquises transmises à la progéniture (6).

Nous rapportons ici une analyse quantitative des réplications de l'ADN de la lignée germinale dans Arabidopsis et tester si le nombre de répétitions augmente avec une croissance végétative prolongée. Nous avons utilisé deux méthodologies indépendantes, basées sur les propriétés intrinsèques de la réplication de l'ADN. Premièrement, nous avons mesuré la perte d'ADN télomérique due au problème de réplication terminale chez les mutants de la télomérase, qui sont incapables de maintenir les télomères. Deuxièmement, nous avons mesuré l'accumulation de mutations dues à une mauvaise incorporation de la polymérase chez des mutants déficients pour la réparation des mésappariements. Cette analyse a montré que le nombre de réplications d'ADN n'augmentait que légèrement dans des conditions de longue durée de vie, démontrant que la profondeur cellulaire des gamètes n'est pas linéairement proportionnelle à la période de croissance végétative.


Hématopoïèse clonale

Variation somatique donnant lieu à CH

Ici, nous utilisons « CH » comme un terme générique qui fait référence à la présence d'un clone mutant étendu de toute sorte dans le sang, à l'exclusion de l'expansion réactive des cellules immunitaires dans les organes lymphoïdes et de la malignité franche. CH est un phénomène courant dans la population générale et sa prévalence augmente considérablement avec l'âge de 7, 8, 9, 10, 11 ans. Le sang n'est pas unique dans l'accumulation de mutations avec l'âge, une tendance qui a également été observée dans les organes solides 12, bien que CH implique un ensemble distinct de gènes mutés de manière récurrente et provient d'une source de tissu facilement disponible. À ce jour, la littérature a largement classé la CH selon le type de variation somatique pouvant être observée au sein du clone : événements de gain, perte et perte d'hétérozygotie neutres en copie (CN-LOH) impliquant une grande partie d'un chromosome ou d'un seul nucléotide. variation et insertions/suppressions courtes (indels).

La lésion génétique de loin la plus courante observée dans CH est la perte en mosaïque du chromosome Y (mLOY) chez les hommes 11,13,14,15,16. De plus, des altérations chromosomiques en mosaïque (mCA) 9,17,18, des variants mononucléotidiques (SNV) et des indels dans les gènes associés aux malignités myéloïdes, et des mutations accidentelles putatives/dérive génomique (CH avec des facteurs inconnus) 8,10 ont tous été documentés . En l'absence d'une malignité hématologique, ces SNV/indels sont connus sous le nom de CH de potentiel indéterminé (CHIP) lorsque les mutations sont présentes à ≥2% de fraction allèle variante (VAF) 7,8. Ce schéma de classification est en grande partie un sous-produit de la façon dont le CH est identifié dans les études existantes. Les anomalies chromosomiques, y compris les mLOY et les mCA, peuvent être interrogées à l'aide de matrices de génotypage à l'échelle du génome (telles que celles utilisées pour les études d'association à l'échelle du génome (GWAS)), tandis que les données de séquençage de l'exome entier ou du génome entier (WGS) peuvent identifier les SNV ou indels mais n'est pas optimal pour identifier les événements mCA.

Parmi ces sous-types de CH, la grande majorité des études sur le risque héréditaire ont examiné mLOY, mCA ou CHIP. Par conséquent, le reste de cette revue se concentre sur ces trois entités (Fig. 1).

L'hématopoïèse clonale fait référence à une expansion clonale de cellules sanguines qui sont souvent identifiées sur la base de mutations génétiques partagées. une | Un type particulièrement courant d'hématopoïèse clonale est la perte en mosaïque du chromosome Y (mLOY), une entité qui est souvent étudiée séparément des autres grands événements chromosomiques. b | Lorsque de grands segments d'un ou plusieurs chromosomes sont gagnés, perdus ou recombinés, entraînant la perte de l'hétérozygotie, cela peut entraîner une hématopoïèse clonale avec des altérations chromosomiques en mosaïque (mCA). c | L'hématopoïèse clonale peut également se produire par le biais de mutations dans les gènes associés aux myéloïdes, appelées hématopoïèse clonale à potentiel indéterminé (CHIP).

Épidémiologie du CH

Tous les types de CH sont fortement associés à l'âge. Il a été postulé que tous les adultes ont des mutations CH à des fractions clonales extrêmement faibles 19,20, mais les estimations de prévalence pour CH dans la population sont généralement basées sur l'identification de clones avec un VAF d'au moins

2%, ce qui est approximativement la limite de détection pour de nombreux tests couramment utilisés. On estime que 1,7 à 20 % des hommes ont une certaine quantité de mLOY 11,13,14,15,16,21 , la prévalence augmentant à > 40 % des individus à l'âge de 70 ans dans la plus grande étude épidémiologique à ce jour 11 . Le chromosome X semble avoir un taux d'acquisition de mCA plus faible. Environ 8 % des femmes de plus de 65 ans présentent un mosaïcisme du chromosome X détectable 9 , alors que les hommes présentent rarement un mosaïcisme du chromosome X dans le sang à tout âge 22 . Les événements mCA autosomiques sont le type de CH le moins fréquemment observé, affectant

1 à 5 % de la population âgée de plus de 70 ans 9,17,23,24,25,26 , alors que CHIP est estimé à affecter > 10 % des personnes âgées de plus de 70 ans 7,8,27 . Un individu peut avoir simultanément des mCA et CHIP, ce qui se produit fréquemment avec des mutations ponctuelles dans JAK2 (une tyrosine kinase impliquée dans plusieurs voies de signalisation des cytokines 28) et des événements mCA au même locus 17,29. Cependant, à part le JAK2 locus, la co-occurrence de CHIP et d'ACm identifiés par séquençage en masse/génotypage du même individu semble être un événement rare 18,27, bien que la prévalence soit plus élevée chez les patients traités pour des tumeurs solides 30 .

La prévalence de l'HC varie selon plusieurs caractéristiques démographiques. Il existe un biais sexuel pour les lésions mCA spécifiques, la plupart d'entre elles ayant une prévalence plus élevée chez les hommes 17,26. Bien que certaines études aient suggéré un biais masculin pour CHIP 7 , d'autres études ont montré que cette association ne persiste pas après contrôle des facteurs de confusion potentiels 27 . Les groupes d'ascendance différente ont également une prévalence différente. Par exemple, mLOY est moins fréquemment observé chez les individus d'ascendance africaine que d'ascendance européenne (0,4 % contre 1,8 %) 15 . Pendant ce temps, les mutations CHIP sont moins fréquemment observées chez les individus s'identifiant comme hispaniques 7,27 ou est-asiatiques 27 .

Il existe des différences substantielles selon l'âge dans la distribution des gènes CHIP mutés 27,31. En particulier, des mutations dans l'ADN méthyltransférase de novo DNMT3A et en JAK2 peut être observé avec une certaine régularité à partir de la troisième et de la quatrième décennie de la vie, alors que les clones porteurs de mutations dans les gènes des spliceosomes ne sont généralement détectés que dans les cinquième et sixième décennies de la vie 27,31 . La mesure dans laquelle cette distribution est façonnée par des différences dans la mutabilité des séquences d'ADN 20, l'avantage de fitness relatif 20 ou les interactions avec un microenvironnement vieillissant 31 est toujours un domaine d'investigation active.

Les expositions environnementales qui augmentent l'acquisition de variantes somatiques sont significativement corrélées avec la prévalence de CH. En particulier, le tabagisme est fortement associé à CHIP 8,27,32 et mLOY 11,13,14,15,16,33,34. Dans le cas de la chimiothérapie cytotoxique et de la radiothérapie, le spectre mutationnel présente un enrichissement marqué des mutations dans les gènes de la voie de réponse aux dommages à l'ADN 32,35,36. L'excroissance des clones CH après une thérapie anticancéreuse est en partie due à l'expansion de clones préexistants avec un avantage sélectif 35 mais peut également être due à l'introduction de nouvelles mutations par les agents anticancéreux eux-mêmes 37 ou à des effets stochastiques d'un événement de goulot d'étranglement pour HSC.

Conséquences sur la santé de l'HC

Bien que la plupart des personnes atteintes d'HC aient des paramètres hématologiques normaux, l'HC est associée à des conséquences importantes sur la santé. En ce qui concerne les anomalies chromosomiques plus importantes, des études épidémiologiques ont démontré des associations entre le mlOY et un large éventail de résultats pour la santé chez les hommes, y compris la mortalité toutes causes confondues 15,21, de nombreux types de cancer 11,14,21,33,38,39, 40 , événements cardiovasculaires 41 , maladie d'Alzheimer 42 , schizophrénie 43 , maladie auto-immune 44,45 , diabète 15 et dégénérescence maculaire liée à l'âge 46 . Les événements mCA autosomiques ont été associés à un risque accru de malignités hématologiques 17,18,26,30 ainsi qu'à une mortalité toutes causes confondues qui n'est que partiellement expliquée par un excès de décès par cancer 9 . De plus, même si les mCA sont indépendamment associés à un risque accru de malignités myéloïdes, une analyse rétrospective de patients atteints de tumeurs solides a révélé des taux relativement accrus de malignités hématologiques chez les patients atteints à la fois d'amC et de CHIP par rapport à ceux avec l'un ou l'autre seul 30 . Il reste à déterminer si la présence de doubles mCA/CHIP est un indicateur d'individus avec des génomes particulièrement instables ou si la combinaison de ces lésions conduit de manière coopérative à un risque de malignité. Le risque accru d'infection et de complications infectieuses graves peut expliquer une partie de la surmortalité observée chez les patients atteints d'ACM : une étude multinationale récente a révélé que les événements d'ACM sont modérément associés à un risque pour un large éventail d'infections (rapport de cotes (OR) = 1,06), y compris le risque d'hospitalisation pour COVID-19 (OR = 1,6) 47 . Les mutations somatiques dans les gènes CHIP mutés de manière récurrente ont été étudiées à la fois dans des contextes épidémiologiques naturels et dans des modèles expérimentaux, qui ont révélé de fortes associations avec la mortalité, la malignité et les MCV. La mortalité toutes causes confondues est plus élevée chez les individus avec CHIP par rapport à sans CHIP 7,10, ceci est en partie dû à un risque accru de malignités hématologiques, qui a été observé dans de nombreuses études 7,8,10,48,49. Cependant, les personnes porteuses de mutations CHIP ont une surmortalité par rapport à celles qui ne portent pas de telles mutations, même après contrôle des décès par cancer du sang 7,10. Cela peut s'expliquer en partie par une association entre CHIP et CVD. Au niveau de la population, CHIP a été associé à un fardeau plus élevé de maladie des vaisseaux athérosclérotiques et à un risque accru d'infarctus du myocarde 50,51,52 ainsi qu'à des taux sanguins plus élevés de la protéine C-réactive du marqueur inflammatoire 53 . Des modèles murins de CHIP ont démontré des liens mécanistiques entre certaines mutations communes de CHIP et l'athérosclérose accélérée 50,54,55 ainsi que l'insuffisance cardiaque 56,57.

Malgré le fait que de nombreux gènes affectés par des mutations somatiques CHIP aient été associés à un risque accru de cancer et de MCV, il existe des indications précoces de différences fonctionnelles importantes dans la manière dont chaque gène mutant pourrait contribuer à ce risque. Par exemple, les mutations du facteur d'épissage U2AF1 sont associées à un risque plus élevé de leucémie aiguë myéloïde (LAM) et à une latence plus courte vers la maladie que les mutations dans DNMT3A 48,58 . Mutations somatiques dans TET2, codant pour une dioxygénase qui s'oppose à l'action de DNMT3A en favorisant la déméthylation de l'ADN 58 , et en JAK2 sont associés à la maladie coronarienne 50 mais peuvent différer dans la façon dont ils contribuent au dysfonctionnement des cellules sanguines. Dans les modèles murins, des mutations Tet2, dont le produit génique recrute HDAC2 pour la résolution de l'inflammation médiée par l'IL-6 59 , sont associés à une expression accrue de Il1b, Il6, Cxcl1, Cxcl2 et Cxcl3 (réf 50,54). Alors que les mutations dans Jak2 conduisent également à une augmentation Il1b expression, ils conduisent en outre à l'érythrophagocytose favorisant la plaque 55, la sécrétion de microvésicules dérivées des érythrocytes induisant des spasmes artériels 60 et des pièges extracellulaires neutrophiles thrombotiques 61 . Pourtant, il reste beaucoup à apprendre sur le risque relatif d'évolution de la maladie avec des gènes CHIP spécifiques, sans parler de la façon dont le risque de maladie pourrait varier selon les différentes variantes altérant les protéines au sein de chaque gène. La conservation de grandes cohortes CHIP avec des données de génotype hérité et de phénotype profond permettra d'approfondir l'étude de la façon dont la variation de la lignée germinale affecte le risque de maladie CHIP.

Il existe de plus en plus de preuves que les mutations CHIP peuvent interagir avec des maladies humaines au-delà du cancer et des maladies cardiovasculaires. Les mutations somatiques CHIP ont été associées à plusieurs maladies dans lesquelles l'inflammation est prédominante, notamment la maladie pulmonaire obstructive chronique 18,62, la lymphohistiocytose hémophagocytaire de l'adulte 63 et la vascularite associée aux anticorps cytoplasmiques anti-neutrophiles 64 . CHIP semble également être associé à plusieurs types d'infections et à des manifestations de la maladie potentiellement graves chez les personnes infectées par le SRAS-CoV-2 (réf. 65), peut-être en raison de la signalisation inflammatoire exacerbée par CHIP 66 . Plusieurs analyses récentes ont également trouvé des taux élevés de mutations somatiques dans les gènes CHIP chez les personnes immunodéprimées par le VIH, ce qui pourrait être la conséquence d'un état pro-inflammatoire mais pourrait également être dû à la clairance altérée des clones CH par les cellules T 67 ,68 . De plus, CHIP peut avoir des interactions dynamiques avec certaines interventions thérapeutiques. Des mutations dans les gènes CHIP impliqués dans la voie de réponse aux dommages à l'ADN, telles que TP53 et PPM1D, sont hautement enrichis après une radiothérapie ou un traitement avec quelques chimiothérapies cytotoxiques sélectionnées 32,35,69,70,71,72 . De plus, CHIP a été associé à une mortalité significativement accrue après l'implantation d'une valve aortique par cathéter 73 , ce qui est la première indication que CHIP pourrait avoir un impact sur les résultats chirurgicaux/procéduraux. Des recherches émergentes suggèrent que CHIP peut avoir un impact sur les résultats des patients après une greffe de CSH (GCSH). Les CSH transplantées sont confrontées à plusieurs défis de taille et uniques, notamment la forte demande réplicative afin de reconstituer l'ensemble de la population de cellules sanguines ainsi que l'exposition aux thérapies immunosuppressives et cytotoxiques. Les preuves actuelles (bien résumées dans les références 74,75) suggèrent que le CHIP dérivé du donneur n'est pas rare chez les receveurs de GCSH allogénique et autologue et peut augmenter les risques de maladie du greffon contre l'hôte, de leucémie dérivée du donneur et de mortalité globale, bien que les interactions semblent complexes et peuvent dépendre à la fois des caractéristiques du patient et du gène CHIP en question.

Les lésions génomiques disparates observées dans le CH et leurs associations avec un large éventail de conséquences pour la santé ont stimulé la recherche sur la façon dont la génétique germinale influence l'acquisition et la croissance de changements somatiques spécifiques. Dans la section suivante, nous discutons des associations entre les variants hérités et mLOY, mCA et CHIP qui ont été décrites à ce jour (Fig. 2).

De nombreux loci de risque germinaux ont été liés au développement de l'hématopoïèse clonale (CH). Les trois sous-types de CH qui ont reçu le plus d'attention dans ce domaine sont la perte en mosaïque du chromosome Y (mLOY), les altérations chromosomiques en mosaïque (mCA) et l'hématopoïèse clonale à potentiel indéterminé (CHIP). Ces trois sous-types sont enrichis pour plusieurs des mêmes variantes de la lignée germinale telles que celles affectant les gènes de réponse aux dommages de l'ADN CHEK2 et AU M, facteur de prolifération TCL1A, et composant télomérase TERT. Cependant, chacune de ces entités conserve également des loci de risque qui lui sont propres. Compte tenu du spectre des variantes, un motif notable est la rareté des gènes spécifiques à la mitose dans CHIP par rapport à leur abondance relative dans mLOY et mCA. Un autre thème général est la prévalence élevée des associations précédemment identifiées entre ces loci germinaux et les maladies du vieillissement, y compris les tumeurs malignes, les maladies cardiovasculaires et la démence. Le degré auquel CH est impliqué dans ces liens connus à la maladie reste à déterminer. Remarque : plus de 150 loci ont été associés à mLOY, dont seul un petit nombre est représenté sur cette figure.


Discussion

La perte de l'activité de l'hélicase BLM provoque une instabilité génomique et altère l'apoptose, rendant les individus atteints du syndrome de Bloom prédisposés au cancer (19, 21, 24, 43, 44). Il y a des conclusions contradictoires dans la littérature quant à savoir si les porteurs d'hétérozygotes BLM les mutations ont un risque accru de cancer (25, 29, 30, 45 ⇓ ⇓ –48). Certaines expériences chez la souris suggèrent que le dosage de BLM est un modificateur critique de la tumorigenèse et de la génétique constitutionnelle [comme chez les patientes atteintes d'un cancer du sein double hétérozygote (47)] et que l'exposition à certains virus pourrait moduler le risque de cancer chez les porteuses de BLM mutations hétérozygotes (27).

Nous avons découvert que 7 des 155 patients atteints de mésothéliome non apparentés étaient porteurs d'une lignée germinale hétérozygote pathogène BLM mutations. Pour 2 de ces 7, nous avions un pedigree familial : les deux patients avaient des parents qui avaient développé un mésothéliome porteur du même BLM mutations comme chez le proposant. La mutation germinale c.968A>G trouvée dans la famille 2 était également présente chez un patient mésothéliome apparemment non apparenté (tableau 1). Cette découverte importante (P = 0,0017), étant donné une probabilité de mutation de 0,00039, ainsi que le score CADD élevé, soutient l'effet contributif pathogène de cette mutation au mésothéliome.

Hétérozygote in vitro BLM mutations induites par l'instabilité génomique. Les cellules mésothéliales de Blm Les souris +/- ont accumulé un pourcentage plus élevé de micronoyaux lorsqu'elles sont exposées à l'amiante, et le silence BLM dans les cellules HM exposées à l'amiante a retardé la phosphorylation de H2A.X. De manière générale, une capacité de réparation de l'ADN diminuée conduit à une induction plus rapide et prolongée de -H2A.X. Une interprétation supplémentaire ou alternative à la cinétique retardée de la formation de -H2A.X (35) induite par la crocidolite est que, puisque les cassures d'ADN simple brin ne sont pas de puissants inducteurs de foyers de γ-H2A.X et que les lésions de l'ADN induites par l'amiante peuvent nécessitent une deuxième étape pour produire une lésion qui provoque γ-H2A.X, la deuxième étape serait probablement la réplication de l'ADN, ce qui pourrait conduire à la formation de DSB d'ADN lors de la réplication par le biais d'une rupture d'ADN simple brin. Par conséquent, la phosphorylation retardée de H2A.X dans les cellules avec des niveaux de BLM réduits pourrait également être la conséquence d'un cycle cellulaire plus lent et de la formation ultérieure de DSB dépendant de la réplication de l'ADN (49).

De plus, le silence de BLM a protégé les cellules HM et les macrophages de l'apoptose induite par l'amiante et a protégé les cellules de mésothéliome de la mort cellulaire induite par H.2O2 et céramide. L'apoptose réduite augmente la fraction de cellules qui accumulent des dommages génétiques et qui sont sujettes à une transformation maligne et aide les cellules tumorales à survivre à la chimiothérapie (3, 17).

Dans les macrophages silencieux BLM, nous avons trouvé une libération accrue de TNF-α, une cytokine fortement liée à la cancérogenèse médiée par l'amiante (36, 38 ⇓ ⇓ ⇓ –42). Par conséquent, Blm Les souris +/- ayant reçu une injection de crocidolite présentaient une augmentation des macrophages M1 et des niveaux plus élevés de TNF-α et d'autres cytokines pro-inflammatoires dans le lavage péritonéal par rapport au WT. Ces résultats fournissent une justification mécaniste pour l'observation que les souris portant Blm les mutations hétérozygotes sont plus sensibles à la carcinogenèse de l'amiante que les souris WT. En effet, Blm Les souris +/- exposées à l'amiante ont développé une incidence significativement plus élevée de mésothéliome et ont eu une survie spécifique au mésothéliome significativement plus courte, preuve de G × E. Ces résultats indiquent que l'exposition à l'amiante augmente le risque de mésothéliome chez les porteurs d'hétérozygotes. BLM mutations. Étant donné que quatre des neuf patients n'ont pas signalé d'exposition, les hétérozygotes BLM les mutations peuvent également augmenter le risque de mésothéliome en soi.

Nous avons découvert que les porteurs de la lignée germinale BLM les mutations présentent un risque accru de mésothéliome en raison : 1) de la probabilité de trouver une lignée germinale pathogène hétérozygote BLM mutations est significativement plus élevée chez les patients atteints de mésothéliome que dans la population générale (P = 6,7E-10) 2) dans les familles touchées, le mésothéliome ne s'est développé que chez les personnes qui ont hérité du BLM mutation et 3) l'incidence du mésothéliome était plus élevée chez les Blm +/- souris exposées à l'amiante. L'instabilité génomique observée et l'altération de la mort cellulaire induite par l'amiante dans les cellules avec des niveaux de BLM réduits, ainsi que la réponse inflammatoire altérée dans les macrophages humains avec des niveaux de BLM réduits et dans Blm +/- souris, fournissent une justification mécaniste de ces résultats. Quant à la pertinence possible de ces résultats pour d'autres tumeurs malignes, on ne sait pas encore quelle est la fréquence de BLM +/- mutations est dans tous les cancers.

En résumé, nous avons identifié une famille de mésothéliomes en Turquie avec une lignée germinale hétérozygote BLM mutations. Cela nous a conduit à enquêter BLM dans les familles américaines de mésothéliome : les résultats combinés ont indiqué que les porteurs de lignée germinale hétérozygote BLM mutations présentent un risque accru de développer un mésothéliome. Nous avons validé ces résultats dans un Blm modèle de souris mutantes hétérozygotes et mécanismes élucidés en culture tissulaire. Nous avons également identifié 80 individus porteurs d'hétérozygotes BLM variantes de perte de fonction dans une cohorte américaine au Nevada (29 553 personnes) dans laquelle, avec le soutien du National Institute of Environmental Health Sciences, nous étudions la relation entre les mutations germinales et l'exposition à des cancérogènes environnementaux. Des mesures de prévention de l'exposition peuvent être justifiées pour BLM porteurs de mutants par exemple, ils peuvent décider de ne pas se rendre dans des zones où l'amiante et autres fibres cancérigènes sont abondamment présentes dans l'environnement (1, 50) et éviter de travailler dans des métiers associés à un risque d'exposition à l'amiante. Ils peuvent également bénéficier d'un dépistage précoce à l'instar d'un essai clinique du NCI pour BAP1 porteurs de mutations (ClinicalTrials.gov identifiant NCT03830229).


Discussion

Implications pour la genèse de la mutation

Nous avons cherché à déterminer si les différences dans les taux de mutation du babouin et de l'homme s'expliquent facilement par leurs histoires de vie. Comme point de départ, nous avons considéré un modèle simple dans lequel les mutations sont proportionnelles aux divisions cellulaires, les femelles ont le même nombre de divisions cellulaires dans les 2 espèces, et les taux de mutation par division cellulaire par rapport à l'ontogenèse sont les mêmes dans les 2 espèces. Sous ces hypothèses, nous nous attendrions à un effet de l'âge paternel plus important chez les babouins et à un biais de mutation mâle plus élevé chez les humains. Aucune de ces attentes n'est satisfaite : l'effet de l'âge paternel n'est pas visiblement plus fort chez les babouins, et le biais mâle est similaire, comme c'est le cas chez d'autres mammifères pour lesquels il existe des estimations directes de pedigree des taux spécifiques au sexe (Fig 3B).

Une possibilité probable est que certaines de nos hypothèses sont fausses.En particulier, une revue récente a soutenu que les mutations de la lignée germinale sont d'origine réplicative et suivent donc les divisions cellulaires, mais que le taux de divisions SSC est beaucoup plus faible qu'on ne le croyait auparavant [45]. Bien que plausible [45,46], cette explication à elle seule n'expliquerait pas nos résultats : si les mutations étaient dues à des erreurs de réplication et si les taux de divisions SSC étaient très faibles, alors sans faire d'autres hypothèses, nous nous attendrions à des taux de mutation paternelle chez l'homme et le babouin par génération d'être très similaires, alors qu'ils ne le sont pas. À son tour, le taux de mutation environ 2 fois inférieur observé chez les babouins par rapport aux femelles humaines pourrait s'expliquer s'il y a moins de cycles de réplication de l'ADN chez les babouins que chez les humains (ou une plus grande fidélité de réplication). Ainsi, les observations individuelles peuvent être expliquées sous un modèle réplicatif en invoquant des paramètres spécifiques.

Pris ensemble avec d'autres études, cependant, nos résultats s'ajoutent à un ensemble croissant d'observations qui ne correspondent pas facilement à un modèle dans lequel la plupart des mutations germinales suivent les divisions cellulaires, y compris que (1) chez les humains et les babouins, il y a un effet de l'âge maternel sur les mutations, qui contribue à une proportion substantielle des mutations maternelles, malgré l'absence de divisions cellulaires après la naissance de la future mère [17,19,32 cet article] (2) le biais de mutation mâle chez l'homme est déjà d'environ 3:1 par la puberté, alors que les cellules germinales des 2 sexes auraient connu un nombre similaire de divisions cellulaires d'ici là [32] (3) chez l'homme, le biais de mutation mâle augmente à peine avec l'âge des parents, et encore moins une fois les transitions CpG exclues, malgré les divisions SSC en cours [32] et (4), le biais sexuel dans les taux de mutation est à peu près similaire chez les mammifères [cet article 4]. L'observation 1 indique qu'une fraction non négligeable des mutations chez les femelles sont non réplicatives. Les observations 2 à 4 pourraient s'expliquer par des erreurs de réplication si nous supposons qu'un certain nombre de croyances actuelles sur la spermatogenèse sont incorrectes : à savoir qu'il y a plus (ou plus de divisions cellulaires mutagènes) chez les mâles que chez les femelles avant la puberté et qu'il y a moins (ou moins mutagènes) des divisions cellulaires chez les mâles après la puberté. Même si les deux conditions sont remplies, tous les paramètres devraient toujours s'annuler à la fois chez l'homme et chez les mammifères pour générer une dépendance apparente sur le temps absolu plutôt que sur les divisions cellulaires [16] et une stabilité relative du biais mâle dans la mutation.

Une alternative est que les mutations germinales sont principalement dues à des dommages chez les deux sexes. La prise en compte des 4 observations nécessiterait que les dommages s'accumulent à un taux relativement fixe chez les mammifères, mais à un taux un peu plus élevé chez les mâles que chez les femelles, et soient réparés de manière inefficace par rapport à la longueur du cycle cellulaire [16]. En principe, cette hypothèse pourrait alors expliquer la relative stabilité du biais de mutation mâle avec l'âge des parents chez l'homme, la similitude du biais de mutation mâle chez les mammifères, et la similitude du spectre de mutation chez les 2 sexes. Cela expliquerait également pourquoi les taux de mutation des primates par génération semblent suivre approximativement les âges typiques de reproduction [cet article 25]. Cependant, cela nécessite également un certain nombre d'hypothèses, et celles-ci restent à tester (par exemple, [47]).

Comparaison des taux de mutation et des taux de substitution contemporains

Les études de divergence chez les primates démontrent clairement que les taux de substitution neutre varient considérablement à travers la phylogénie [29]. Notamment, le babouin olive a accumulé 35% de substitutions supplémentaires le long de sa lignée par rapport aux humains depuis leur ancêtre commun (Fig 4A). Si elles sont neutres, les mutations devraient se fixer au rythme auquel elles surviennent [48]. Ainsi, nous nous attendrions à ce que le taux de mutation par unité de temps chez les babouins soit sensiblement plus élevé que celui chez les humains. Pour évaluer cette hypothèse, nous avons converti nos taux de mutation germinale de novo en taux annuels en utilisant un modèle moyenné par sexe qui tient compte des relations spécifiques au sexe des taux de mutation avec l'âge et les traits d'histoire de vie spécifiques au sexe [42]. Cela a donné des taux de mutation annuels de 5,49 × 10 -10 chez les babouins, 35 % (IC à 95 % 18 % à 51 %) plus élevés que le taux de 4,08 × 10 -10 chez l'homme (figure 4B). Ainsi, le rapport des taux de mutation annuels actuels semble être tout à fait cohérent avec le rapport des taux de substitution observé chez ces 2 espèces.

(A) Relation phylogénétique entre les humains et les babouins avec un ouistiti (singe du Nouveau Monde). Les longueurs de branches indiquent le taux de substitution autosomique par pb depuis la séparation OWM-ouistiti, mesurée à l'aide des données de [29] pour tous les types de mutation dans les régions putativement neutres du génome. La différence relative de longueur de branche entre les lignées de babouin et humaine est indiquée en violet. (B) Taux de mutation moyens par sexe par an. Les taux de mutation étaient basés sur des valeurs ajustées pour des temps de génération typiques (c. suivant [42]. Les lignes verticales indiquent l'étendue couverte par les IC à 95 % de l'intersection et de la pente des régressions de l'effet de l'âge. (C) Le rapport des taux annuels de mutation et de substitution chez le babouin par rapport à l'homme, tel qu'estimé pour les différents types possibles impliquant des combinaisons de pb fort (S: G/C) et faible (W: A/T). Chaque point désigne un type différent, et les types forts à faibles (S>W) ont été séparés en ceux qui se sont produits sur un site CpG ou non-CpG. Les points sont colorés selon que l'on s'attend à ce que la conversion de gènes biaisée par GC favorise (rouge clair), défavorise (rouge foncé) ou n'ait aucun effet (bleu) sur le type de mutation. Les lignes horizontales indiquent des IC à 95 % sur le rapport de taux de mutation calculé par rééchantillonnage de blocs de 50 cM. L'IC supérieur pour CpG S>W s'étend hors du cadre à 2,8. Les estimations ponctuelles des taux de substitution chez les babouins et les humains ont été tirées de [29]. La ligne d'identité est dessinée en gris pour référence. (D) Temps de divergence prédits des humains et des OWM en fonction de l'âge des parents. Les temps de divergence ont été prédits à l'aide des taux de mutation et de substitution autosomique mesurés chez l'homme (sarcelle) et les babouins (orange), sur une période de générations passées plausibles. Chaque point dans les zones ombrées représente le temps de divergence calculé à un temps de génération paternel particulier (axe des x) et un rapport de temps de génération paternel à maternel (allant de 0,8 à 1,2) comme indiqué en violet. La ligne grise en pointillés indique une limite supérieure plausible pour le temps intermédiaire déduit des archives fossiles [49,50]. Les données sous-jacentes de ce chiffre peuvent être trouvées dans S2 Data. BGC, conversion génique biaisée pb, paire de bases cM centimorgan CpG, 5'-cytosine-phosphate-guanine-3' OWM, singe du Vieux Monde.

Étant donné que la conversion génique biaisée sur la mutation agit comme la sélection et influence le processus de substitution, nous avons en outre divisé les substitutions par type, selon que la probabilité de fixation a été augmentée, diminuée ou non affectée par la conversion génique biaisée, nos résultats sont comme prévu, avec des mutations favorisées ( ou défavorisé) par une conversion génique biaisée montrant des taux de substitution légèrement supérieurs (ou inférieurs) par rapport aux taux de mutation (figure 4C). Bien qu'ils soient estimés de manière imprécise, les types de mutations non sujets à une conversion génique biaisée (Fort [G/C] > Fort et Faible [A/T] > Faible) montrent une bonne concordance entre les taux de mutation et de substitution.

Si les mutations sont neutres et s'accumulent à un taux fixe, nous pouvons relier les niveaux de divergence aux taux de mutation afin d'estimer le temps moyen jusqu'à l'ancêtre commun le plus récent (MRCA), en l'occurrence les OWM et les grands singes. La division du taux de substitution neutre humain par le taux de mutation annuel donne un temps de 64 millions d'années (Ma), alors que le même calcul utilisant des taux estimés chez les babouins donne un temps de divergence de 65 Ma. Pourtant, les preuves des archives fossiles datent le temps de division de la population OWM-grands singes à au plus 35 Ma [49,50]. Bien que les estimations basées sur la divergence soient pour le temps moyen jusqu'au MRCA plutôt que pour le temps intermédiaire, ces deux devraient être très similaires pour les espèces si divergentes (en unités de Ne générations, où Ne est la taille effective de la population) [51]. Ainsi, le nombre de substitutions suggère un temps intermédiaire qui est invraisemblablement ancien.

Une explication possible est que les taux de mutation annuels dans les lignées humaines et de babouins ont ralenti vers le présent en raison de changements dans les seuls traits d'histoire de vie [14,28,42]. Nous avons exploré cette hypothèse en examinant l'effet du temps de génération historique sur le temps moyen inféré jusqu'à l'ancêtre commun (Fig 4D). Nous avons fait varier les temps de génération paternelle allant d'une limite inférieure de 3 ans (l'âge moyen de reproduction de diverses espèces de singes du Nouveau Monde [51]) chez les deux espèces à des limites supérieures de 32 ans chez l'homme et 15 ans chez les babouins, nous avons en outre autorisé le mâle -le rapport temps de génération femelle varie de 0,8 à 1,2 [42]. Nous avons utilisé les estimations ponctuelles de l'effet de l'âge publiées par Gao et ses collègues [32] comme paramètres d'effet de l'âge des humains dans notre modèle, estimant que, tirées d'un échantillon plus large, ces estimations seraient plus précises chez les humains. Étant donné que nous avions trop peu de trios de babouins pour estimer les paramètres avec précision, nous avons supposé que la force des effets de l'âge des parents chez les babouins est similaire à celle des humains et avons utilisé les estimations de Gao et ses collègues pour modéliser l'accumulation de mutations chez les babouins également, malgré des tentatives. preuve que l'effet de l'âge paternel du babouin peut être plus faible (S7 Fig). Notre analyse a suggéré que, chez les deux espèces, des temps de génération invraisemblablement faibles d'environ 3 à 5 ans seraient nécessaires pour produire des temps de divergence plus conformes aux estimations basées sur les fossiles et même alors, à peine. Au lieu de cela, l'utilisation de nos propres estimations pour les paramètres d'effet de l'âge chez les babouins mâles et femelles conduit à la même conclusion (S8 Fig). Ainsi, nos résultats prolongent l'énigme soulignée pour la première fois par Scally et Durbin [53] d'une apparente déconnexion entre les temps évolutifs suggérés par les données phylogénétiques et généalogiques chez l'homme. Les concilier nécessite désormais non seulement un ralentissement du taux de mutation par génération chez l'homme mais aussi chez les babouins.

Un ralentissement parallèle dans les deux lignées semble hautement improbable si les mutations sont d'origine réplicative, étant donné que les changements dans l'histoire de la vie ne peuvent expliquer de manière plausible l'ampleur de l'effet. En principe, on pourrait imaginer que les taux de mutation de la lignée germinale dans les 2 espèces sont façonnés par le même mutagène exogène et qu'un changement survenant après leur séparation affecte les taux de la même manière dans les deux lignées, conduisant à un ralentissement parallèle. Si c'est le cas, le changement du taux de dommages n'aurait pas pu beaucoup affecter le rapport des mutations mâles/femelles, car ?? semble être similaire chez les deux espèces. Pour évaluer cette possibilité, il sera important d'obtenir des estimations comparables à partir d'un plus grand nombre d'espèces, en particulier, un groupe externe à l'OWM et aux grands singes, comme un singe du Nouveau Monde. Une alternative est que les archives fossiles OWM ont été mal interprétées pour suggérer un temps intermédiaire plus récent des OWM et des singes que ce n'est vraiment le cas.

Plus généralement, bien que nous ayons soutenu ci-dessus que les modèles de mutation germinale chez les humains et les babouins s'expliquent plus facilement s'ils sont principalement dus à des dommages, une telle hypothèse ne fournit pas d'explication immédiate pour expliquer pourquoi les taux de mutation et de substitution annuels varient selon les espèces de mammifères. ou ont tendance à être plus élevés dans les plus courts [12,14-16,54]. Une possibilité est que les taux de dommages varient quelque peu avec les traits d'histoire de vie [55], avec une tendance à des taux de dommages plus élevés chez les espèces à durée de vie plus courte. À cet égard, il serait intéressant de caractériser les taux de substitution dans des ensembles d'espèces qui diffèrent par leurs expositions environnementales et leurs taux métaboliques et d'examiner les différences dans leur spectre de mutation à la lumière de mutagènes connus (par exemple, [9]).


Matériaux et méthodes

Des éjaculats uniques de 89 hommes en bonne santé (âgés de 22 ans) ont été donnés de manière anonyme et l'âge du donneur a été enregistré. Des échantillons de sang ont été prélevés sur sept personnes âgées de 36 ans. Un consentement éclairé écrit a été obtenu de tous les donneurs et des échantillons ont été collectés avec la permission du comité d'éthique de la recherche de l'Oxfordshire (OxREC C03.076). Pour l'analyse SpS, 33 échantillons ont été collectés à partir d'archives tissulaires. Pour une description détaillée des méthodes, voir Texte SI.


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ENJEUX ÉTHIQUES ET RÉGLEMENTAIRES POSÉS PAR L'ÉDITION DU GÉNOME DE CELLULES SOMATIQUES

À bien des égards, l'édition du génome des cellules somatiques sera développée avec l'avantage de la solide base de connaissances techniques de la thérapie génique, et dans le cadre du système existant de surveillance réglementaire et des normes éthiques qui ont facilité la recherche actuelle et le développement clinique des cellules somatiques et de la thérapie génique autour de le monde, y compris l'Australie, la Chine, l'Europe, le Japon et les États-Unis (voir chapitre 2). Ces systèmes réglementaires comprennent un large éventail de modèles précliniques et de conceptions d'études pour soutenir le développement clinique de thérapies basées sur des cellules modifiées, ainsi qu'une feuille de route pour les premiers tests cliniques sur l'homme et la commercialisation éventuelle.

Surveillance réglementaire aux États-Unis

Comme décrit au chapitre 2, les tests cliniques de modification du génome des cellules somatiques ne pourraient pas commencer aux États-Unis sans que la Food and Drug Administration (FDA) n'ait d'abord approuvé une demande de nouveau médicament expérimental (IND), et le protocole clinique nécessiterait un comité d'examen institutionnel. (IRB) approbation et examen continu (FDA, 1993). En outre, l'examen par le comité consultatif sur l'ADN recombinant (RAC) des National Institutes of Health (NIH) éclaire les délibérations de la FDA et des IRB et fournit un lieu de discussion publique. D'autres pays ont des voies similaires, comme décrit au chapitre 2, mais avec quelques variations dans le stade de la recherche auquel une thérapie cellulaire peut être commercialisée et les conditions dans lesquelles elle peut être retirée.

La question de l'approbation pour une utilisation clinique repose en grande partie sur l'identification du moment où les avantages peuvent l'emporter sur les risques lorsqu'une thérapie est utilisée comme indiqué et comme prévu (Califf, 2017). Les données des essais cliniques sont de plus en plus examinées dans un cadre structuré qui identifie les besoins, les alternatives, les zones d'incertitude et les voies de gestion des risques. 5 Selon l'ancien commissaire de la FDA, Robert Califf,

Les équipes d'examen des produits de la FDA doivent soupeser les preuves scientifiques et cliniques et tenir compte des points de vue contradictoires des parties prenantes et de la société sur la valeur des avantages et la tolérabilité des risques. Ils doivent tenir compte de l'existence et de l'efficacité de traitements alternatifs, de la gravité de la maladie, de la tolérance au risque des patients concernés et du potentiel d'informations supplémentaires à partir des données post-commercialisation. De telles décisions nécessitent de rechercher l'équilibre approprié entre des preuves de haute qualité et un accès précoce, entre les avantages et les risques, entre la protection du public américain et l'encouragement de l'innovation qui peut améliorer les résultats pour la santé. (Californie, 2017)

L'approbation d'une thérapie génique peut dépendre de la façon dont les risques et les avantages peuvent être soigneusement surveillés une fois qu'elle est utilisée en clinique. Sur ce sujet, la FDA a publié des directives influentes (bien que non contraignantes) pour les essais de thérapie génique qui seraient également pertinentes pour les essais d'édition du génome (FDA, 2006). Un suivi à long terme n'est pas toujours nécessaire, par exemple, lorsque les données précliniques sur des facteurs tels que la séquence vectorielle, l'intégration et le potentiel de latence démontrent que les risques à long terme sont très faibles. Mais lorsque des risques à long terme sont présents, l'essai clinique de thérapie génique doit prévoir des observations de suivi à long terme afin d'atténuer ces risques (FDA, 2006, p. 1). Sans un tel plan d'observations de suivi à long terme, les risques seraient déraisonnables et (vraisemblablement) l'essai ne serait pas approuvable. Lorsque cela est justifié, les conseils suggèrent une période de 15 ans de contact post-essai, d'observation et d'examens physiques (bien que cela puisse être raccourci en fonction de facteurs tels que la persistance du vecteur ou lorsque les sujets ne devraient avoir qu'une survie à court terme). Avant de s'inscrire, les sujets doivent donner leur consentement volontaire et éclairé au suivi à long terme, et bien qu'ils puissent se retirer à tout moment, on espère qu'ils s'y conformeront.

Une fois approuvées par la FDA pour des populations et des indications particulières, les thérapies géniques seraient soumises à une surveillance post-commercialisation et à des rapports sur les événements indésirables, et des avertissements spéciaux seraient ajoutés. Les produits seraient complètement retirés s'ils s'avéraient dangereux ou inefficaces. En outre, des stratégies d'évaluation et d'atténuation des risques post-commercialisation (REMS), telles que l'obligation pour les médecins d'avoir des compétences particulières ou l'inscription des patients dans un registre, pourraient être nécessaires si des problèmes de sécurité importants empêchaient l'approbation en l'absence de ces contrôles supplémentaires.

L'utilisation hors indication de cellules soumises à l'édition du génome serait légale aux États-Unis, en Europe et dans d'autres pays, et est probablement à prévoir en ce qui concerne les populations de patients (par exemple, si elle est approuvée pour les adultes, l'utilisation pourrait bien être étendue hors indication aux populations pédiatriques) ou pour divers degrés de gravité de l'indication de la maladie. 6 La perspective d'une utilisation non indiquée sur l'étiquette a conduit à des spéculations sur l'expansion incontrôlée de la technologie vers des utilisations dangereuses, imprudentes, inutiles ou injustes. Et il est vrai que l'utilisation hors AMM, bien qu'elle soit un aspect important de la médecine innovante, peut parfois conduire à des utilisations qui manquent d'une base probante rigoureuse. Mais la spécificité de ces cellules éditées peut limiter la gamme d'utilisations hors AMM pour des indications non liées plus que ce n'est le cas avec de nombreux médicaments. 7 Si l'on pourrait imaginer qu'une thérapie cellulaire basée sur l'édition du génome pour la dystrophie musculaire puisse intéresser ceux dont le tissu musculaire est sain et qui souhaitent devenir encore plus forts, d'autres exemples sont plus difficiles à envisager, du moins dans un avenir proche. Ce point est particulièrement pertinent pour les préoccupations concernant les utilisations qui vont au-delà de la restauration ou du maintien de la santé ordinaire (discutées au chapitre 6) car la spécificité des cellules éditées rend de telles applications moins probables pour le moment.

Plusieurs défis techniques rencontrés pour faire évoluer l'édition du génome somatique vers les tests cliniques ont déjà été relevés par la thérapie génique somatique conventionnelle. Concernant les stratégies ex vivo, elles reposent sur la modification de types cellulaires humains et ne peuvent donc être testées que dans des modèles de culture in vitro ou sur xénogreffe des cellules modifiées chez des souris immunodéprimées. Ces études interrogent la viabilité cellulaire, la biodistribution et la fonction biologique in vivo, y compris l'auto-renouvellement, la multipotence et la clonogénicité, toutes des caractéristiques cruciales des cellules souches. Les stratégies in vivo peuvent nécessiter des tests précliniques de toxicité et de biodistribution chez les primates non humains, y compris la preuve qu'aucune modification non intentionnelle de la lignée germinale ne se produit. En effet, le domaine de la thérapie génique a déterminé que les approches in vivo qui conduiraient à une modification non intentionnelle de la lignée germinale ne devraient pas être autorisées. Notez, cependant, que la plupart des tests de transmission germinale ont une faible sensibilité, et donc un certain degré d'incertitude peut devoir être géré lors de l'examen du développement clinique et de la réglementation.

Plusieurs documents d'orientation ont été publiés par les autorités réglementaires aux États-Unis et en Europe et par la Conférence internationale sur l'harmonisation (ICH) pour illustrer les principes généraux d'investigation et de traitement des risques d'intégration par inadvertance de la lignée germinale des produits de thérapie génique dans les études non cliniques, et pour fournir des considérations pour minimiser ce risque potentiel chez les humains enrôlés dans des essais cliniques (EMA, 2006 FDA, 2012a ICH, 2006). De telles directives pourraient être convenablement adaptées à la conception d'études précliniques de stratégies d'édition du génome somatique.

Afin d'accélérer le développement de la médecine régénérative, un nouveau partenariat public-privé a été lancé. L'organisme international de coordination de la normalisation a été créé

faire progresser les techniques de traitement, de mesure et d'analyse pour soutenir la disponibilité mondiale de produits de médecine cellulaire, génétique, tissulaire et régénérative, et de produits de découverte de médicaments à base de cellules. La création de normes crée un environnement de conformité plus uniforme et aborde et aide les futurs efforts d'harmonisation au niveau international du cadre réglementaire pour les soumissions à travers le monde. 8

Les secteurs d'activité incluent la modification génétique des cellules, avec une mention spécifique des normes de mesure des événements hors cible dans l'édition du génome (Werner et Plant, 2016).

Régulation de l'édition du génome somatique par approche et indication

Une évaluation éthique et réglementaire des futures applications d'édition du génome somatique peut dépendre à la fois de l'approche technique de l'édition et de l'indication envisagée. Comme la thérapie génique traditionnelle, l'édition du génome somatique pourrait être utilisée pour transformer une mutation génétique sous-jacente en une variante non associée à une maladie, ce qui permettrait à une fraction des cellules ciblées de retrouver une fonction normale. L'édition du génome somatique pourrait également être utilisée pour concevoir une cellule de sorte que son phénotype diffère de celui d'une cellule normale et soit mieux à même de résister ou de prévenir la maladie. Par exemple, une cellule pourrait être modifiée pour qu'elle produise des quantités supérieures à la normale d'une protéine, ou pour qu'elle soit résistante à une infection virale. Les approches ex vivo et in vivo de l'édition du génome pourraient être appliquées pour traiter ou prévenir une maladie. De plus, l'édition du génome pourrait être utilisée pour modifier un trait non associé à une maladie (voir chapitre 6).

Quel que soit le cadre final utilisé pour évaluer les applications de modification du génome des cellules somatiques humaines, il est essentiel que les mécanismes de surveillance réglementaire disposent d'une autorité légale et d'une capacité d'exécution suffisantes pour identifier et bloquer les applications non autorisées. À ce jour, les structures existantes ont réussi à empêcher les applications non autorisées de la thérapie génique, et le cadre actuel fournit des conseils sur les éléments clés. Bien que l'édition du génome humain puisse être un peu plus difficile à contrôler que la thérapie génique traditionnelle car les progrès techniques ont rendu les étapes d'édition plus faciles à effectuer, les manipulations cellulaires et la livraison des cellules éditées au patient continuent d'exiger des laboratoires et des installations médicales de haute qualité, qui veillera généralement à ce que la surveillance réglementaire soit en place.

Prévenir les utilisations prématurées ou non prouvées de l'édition du génome

La question des thérapies non réglementées a été particulièrement problématique dans le domaine des cellules souches/médecine régénérative, avec des entités malhonnêtes du monde entier faisant des allégations scientifiquement infondées sur les thérapies par cellules souches et profitant de patients désespérés (Enserink, 2016 FDA, 2016b Turner et Knoepfler, 2016 ). Cela est dû en partie à certaines des déclarations indûment optimistes du passé concernant les perspectives à court terme de la médecine régénérative, en partie à la présence de juridictions non réglementées et en partie à une certaine résistance à l'autorité de réglementation, au moins aux États-Unis. du gouvernement. Aux États-Unis, les tribunaux fédéraux ont confirmé la compétence de la FDA sur l'utilisation de cellules manipulées, mais cela fait encore l'objet d'une certaine confusion. 9 Les cellules modifiées, en particulier celles prélevées sur un patient puis restituées à ce patient, peuvent engendrer la même confusion quant à savoir s'il s'agit d'un produit réglementé ou simplement de la pratique de la médecine, et l'autorité de réglementation doit être clairement définie dès le départ. Dans l'ensemble, les organismes de réglementation ont donc besoin de l'autorité juridique, de l'engagement des dirigeants et du soutien politique pour appliquer leurs pouvoirs juridiques afin d'arrêter la commercialisation de thérapies utilisant des produits de modification du génome humain qui n'ont pas fait l'objet d'un examen et d'une approbation réglementaires (Charo, 2016a). En ce qui concerne les thérapies par cellules souches, l'absence d'utilisation vigoureuse des pouvoirs d'exécution par la FDA a suscité de vives inquiétudes (Turner et Knoepfler, 2016), bien que l'expérience de l'Italie avec la fermeture d'une clinique ait illustré le niveau de pouvoir juridique et politique nécessaire. pour ce faire (Margottini, 2014).

Considérations spéciales associées à l'édition du génome chez les fœtus

Dans certaines situations, l'approche la plus efficace ou la seule consisterait à tenter de modifier les cellules somatiques d'un fœtus avant l'accouchement. Les maladies pour lesquelles ces circonstances spéciales pourraient s'appliquer comprennent celles qui sont multisystémiques ou qui ont un début extrêmement précoce qui rendrait l'intervention postnatale trop tardive pour profiter à l'enfant ou qui sont extrêmement difficiles d'un point de vue technique. De plus, en raison de l'énorme plasticité développementale du fœtus, l'édition fœtale pourrait être plus efficace que l'édition postnatale dans certaines circonstances. Un exemple serait de tenter d'inverser une variante causant une maladie qui affecte chaque neurone du cerveau.

Dans un sens plus général, le processus d'édition thérapeutique pourrait être effectué ex vivo dans un scénario dans lequel des cellules pourraient être récoltées sur le fœtus, éditées à l'extérieur du corps, puis repiquées dans le fœtus. Actuellement, des méthodes établies pour isoler et transplanter des cellules fœtales autologues sont disponibles pour un nombre limité de types cellulaires, mais la gamme des types cellulaires est susceptible d'augmenter à l'avenir.

L'édition thérapeutique chez les fœtus pourrait également être effectuée in vivo, auquel cas la machinerie d'édition serait livrée au fœtus pour modifier les cellules in situ. Comme indiqué ci-dessus, la correction in situ d'une variante causant une maladie au début du développement a le potentiel d'être plus efficace que l'édition in vivo postnatale, lorsque de nombreux systèmes d'organes sont plus complètement développés. La thérapie par cellules souches in utero a été essayée (avec un succès limité) (Couzin-Frankel, 2016 Waddington et al., 2005), de sorte que le concept général de thérapie in utero avec les domaines émergents de la médecine a déjà fait l'objet d'une analyse éthique. Et une Société internationale de transplantation fœtale et d'immunologie a été formée, qui organise des réunions annuelles pour examiner les perspectives et les progrès de la thérapie génique fœtale. dix

Bien que la modification du génome fœtal présente des avantages potentiels, au moins deux problèmes éthiques particuliers devraient être abordés : des règles spéciales pour le consentement (voir chapitre 2) et le risque accru de provoquer des modifications héréditaires de la lignée germinale en provoquant une modification des cellules germinales ou du progéniteur des cellules germinales. /cellules souches.

En ce qui concerne le consentement, des problèmes clés ont été résolus par les mécanismes de surveillance existants, la chirurgie fœtale a déjà été utilisée dans les soins cliniques et la thérapie génique fœtale in utero suscite un intérêt croissant (McClain et Flake, 2016 Waddington et al., 2005). Le calcul risque/bénéfice est décalé par rapport à une intervention postnatale ou adulte, le degré de risque auquel un fœtus peut être soumis étant strictement limité lorsqu'il n'y a aucune perspective de bénéfice médical pour le futur enfant. Lorsqu'un tel bénéfice est possible, cependant, les normes les plus habituelles pour l'équilibre risque/bénéfice s'appliquent. Les décisions concernant la chirurgie fœtale ont été prises en tenant compte du fait que la femme enceinte a l'autorité éthique et légale de donner son consentement éclairé. Aux États-Unis, comme dans d'autres pays, le consentement maternel est requis (Alghrani et Brazier, 2011 O'Connor, 2012), et lorsque la recherche vise également la santé maternelle, le consentement maternel seul est suffisant. 11 Aux États-Unis, cependant, la recherche financée par les NIH est soumise à des réglementations spéciales énoncées dans le 45 CFR Partie 46, sous-partie B, et le consentement paternel (si disponible) est également requis si la recherche présente la perspective de bénéficier uniquement au fœtus. . Même lorsqu'elles ne sont pas financées par le NIH, de nombreuses études aux États-Unis utilisent ces mêmes règles.

Un deuxième problème est le défi d'évaluer si une modification de la lignée germinale involontaire s'est produite si une modification somatique in vivo est tentée chez un fœtus.Une caractéristique clé du développement des cellules germinales est que les cellules primordiales qui donneront naissance aux cellules germinales sont séquestrées des cellules somatiques à des points clés du développement. Avant que cette séquestration de la lignée germinale et des cellules somatiques ne se produise ou n'ait été finalisée au début du développement, les cellules germinales pourraient être modifiées aussi efficacement que le seraient les cibles cellulaires somatiques souhaitées. En conséquence, il pourrait y avoir un risque plus élevé de modifications non intentionnelles des cellules germinales au début du développement fœtal par rapport à la réalisation de la même intervention plus tard dans le développement fœtal. Il serait peut-être possible d'évaluer uniquement après la naissance si l'édition de cellules germinales ou de progéniteurs de cellules germinales a eu lieu, auquel moment il serait trop tard pour modifier le résultat.


Discussion

Bien que l'accent ait été mis ici principalement sur l'accumulation de mutations délétères, les forces nettes en faveur d'un allèle antimutateur nouvellement apparu dans une population asexuée peuvent être considérées comme la somme s * ≃ΔU + (μ − ν) + sp, oùU est la réduction du taux de mutation délétère à l'échelle du génome, (μ − ν) la pression de mutation nette dans la direction des allèles antimutateurs, et sp l'effet sélectif pléiotrope de l'allèle antimutateur (indépendant de la charge de mutation réduite). Lorsque cette quantité additionnée est inférieure à la puissance de dérive, la capacité de la sélection naturelle à réduire davantage le taux de mutation sera fortement diminuée. Dans le contexte d'un allèle antimutateur, ΔU est positif par définition, alors que (μ − ν) est susceptible d'être négatif (en supposant qu'il soit plus difficile de produire des allèles antimutateurs que de les perturber). En supposant qu'il y a un coût physiologique à une fidélité de réplication élevée, sp serait négatif. Cependant, les conditions dans lesquelles sp est positif peut être envisagé, par exemple, dans les organismes multicellulaires, où le taux de réplication de la lignée germinale est peu susceptible d'être un facteur limitant dans la reproduction, un taux de mutation somatique réduit peut être très avantageux ( Lynch 2008).

Au fur et à mesure que le taux de mutation est poussé à un niveau de plus en plus bas par sélection, les effets d'autres raffinements moléculaires de l'appareil de réplication/réparation doivent diminuer progressivement, etU deviendra nécessairement plus petit, (μ − ν) probablement plus négatif, et sp plus petit (et potentiellement négatif) également, conduisant finalement à l'incapacité de la sélection à diminuer davantage le taux de mutation face à une dérive génétique aléatoire. Bien que les manières dont ces trois composantes varient selon les U et leurs contributions quantitatives relatives sont inconnues et peuvent différer entre les lignées phylogénétiques, cette construction théorique globale donne des prédictions qualitatives qui ont le potentiel d'expliquer plusieurs observations précédemment déconnectées.

Ainsi, pour un groupe d'organismes avec des tailles de population efficaces comparables, la théorie prédit une relation inverse entre le taux de mutation par site nucléotidique (vousmin) et la taille totale du génome (g), avec des spécificités d'espèce Umin étant distribué autour de la régression à un degré qui dépend de la variation du paramètre composite entre parenthèses larges. Bien que cette dernière quantité doive être sujette à variation, il est plausible que le degré de variation parmi les microbes soit faible par rapport à celui dans g. Par exemple, à quelques exceptions près, les génomes microbiens contiennent environ 95% d'ADN codant, donc ?? est susceptible d'être à peu près constante. De plus, les populations microbiennes varient clairement en taille de population absolue (N), mais on peut faire valoir qu'une fois N dépasse une très grande taille (comme c'est le cas chez les microbes), la taille effective de la population n'est plus limitée par des nombres absolus mais par la structure physique du génome, c'est-à-dire par l'interférence sélective qui résulte des sites liés sur les chromosomes ( Lynch 2007 , 2010). Peut-être que la plupart des microbes sont proches de cette limite.

En revanche, les tailles effectives des populations eucaryotes varient de quelques ordres de grandeur, les espèces multicellulaires ayant généralement des Ne (Lynch 2007, 2010). Les données existantes sur ces espèces suggèrent que vous (par génération) échelles avec environ la puissance de -0,6 de Ne, bien que l'échelle réelle puisse être aussi extrême que − 1,0 ( Lynch 2010). Ainsi, en gardant à l'esprit qu'il n'est pas clair si le terme composé (μ − ν + sp) contribue substantiellement à la pression globale sur le taux de mutation chez les eucaryotes, on peut au moins affirmer que la théorie est qualitativement cohérente avec la mise à l'échelle négative entre vous et Ne des espèces cellulaires. (Pour les espèces sexuées, le membre de droite de l'équation (12a) n'est modifié que par un facteur 1/s, ce qui ne modifie pas l'échelle négative prévue entre vous et Ne.)

Deuxièmement, la plupart des génomes contiennent au moins deux polymérases « à risque d'erreur », souvent utilisées pour la réplication à travers des lésions volumineuses de l'ADN et souvent provoquées en période de stress cellulaire. Des études in vitro indiquent que les taux d'erreur de ces enzymes sont généralement 10 à 10 000 fois plus élevés que ceux des polymérases impliquées dans la réplication du génome ( fig. 4). (Les taux d'erreur in vivo pourraient être inférieurs à ceux résumés dans la figure 4, bien qu'il soit peu probable que le modèle qualitatif soit modifié.) Parce qu'il est peu probable que de telles polymérases soient moléculairement contraintes à être si imprécises, de nombreux chercheurs ont soutenu que la sélection naturelle a promu la mutation induite par le stress comme stratégie pour faciliter l'évolution adaptative pendant les périodes difficiles ( Radman et al. 2000 Rosenberg 2001 Tenaillon et al. 2001 Earl et Deem 2004 Foster 2007 Galhardo et al. 2007). Cependant, la grande majorité des mutations étant délétères, il n'est pas clair qu'il y ait un avantage net à long terme pour des niveaux élevés de mutation induite par le stress, et les résultats précédents fournissent une explication alternative qui élimine la nécessité d'invoquer un tel argument.

Estimations in vitro des taux de mésincorporation de base par les polymérases dans quatre groupes d'espèces (données sous forme de moyennes à partir d'estimations multiples d'études indépendantes dans Supplementary Material en ligne). Les taux sont moyennés sur tous les contextes nucléotidiques, et pour les polymérases sujettes aux erreurs, certains sites sont répliqués à des taux de fidélité considérablement inférieurs (et d'autres considérablement plus élevés) que la moyenne. Notez que pour Escherichiacoli, Pol I est utilisé pour remplacer les petites amorces d'ARN qui initient la réplication, et Pol III est la principale polymérase réplicative. Pour les eucaryotes, Pol α est utilisé pour étendre les amorces d'ARN à une longueur d'ADN suffisante pour que Pol δ prenne le relais, et Pols δ et sont les principales polymérases réplicatives (une pour le brin leader et l'autre pour le brin retardé). Les données sont limitées pour les polymérases des archées.

Estimations in vitro des taux de mésincorporation de base par les polymérases dans quatre groupes d'espèces (données sous forme de moyennes à partir d'estimations multiples d'études indépendantes dans Supplementary Material en ligne). Les taux sont moyennés sur tous les contextes nucléotidiques, et pour les polymérases sujettes aux erreurs, certains sites sont répliqués à des taux de fidélité considérablement inférieurs (et d'autres considérablement plus élevés) que la moyenne. Notez que pour Escherichiacoli, Pol I est utilisé pour remplacer les petites amorces d'ARN qui initient la réplication, et Pol III est la principale polymérase réplicative. Pour les eucaryotes, Pol α est utilisé pour étendre les amorces d'ARN à une longueur d'ADN suffisante pour que Pol δ prenne le relais, et Pols δ et sont les principales polymérases réplicatives (une pour le brin leader et l'autre pour le brin retardé). Les données sont limitées pour les polymérases archéennes.

Comme l'implique l'équation (12b), le taux d'erreur d'une polymérase devrait évoluer en sens inverse du nombre de transactions de nucléotides effectuées par génération. Ainsi, il n'y a aucune raison d'invoquer la sélection pour l'évolutivité pour expliquer la nature sujette aux erreurs des polymérases impliquées dans la mutagenèse induite par le stress. On s'attend plutôt à ce qu'un tel modèle soit un résultat naturel de la réduction de l'efficacité de la sélection opérant sur des enzymes rarement invoquées. Cet argument ne nie pas le rôle critique des polymérases sujettes aux erreurs dans l'élimination des dommages à l'ADN, ni la possibilité que la mutagenèse induite joue parfois un rôle dans la survie/l'adaptation dans des périodes extrêmes. L'hypothèse selon laquelle les taux de mutation devraient naturellement évoluer vers des niveaux plus élevés avec des enzymes impliquées dans moins d'événements de réplication est également cohérente avec le fait que les polymérases impliquées dans le remplacement des amorces d'initiation de la réplication ont des taux d'erreur plus élevés que celles impliquées dans la polymérisation en masse ( fig. 4) et que les primases qui déposent les amorces d'ARN initialement impliquées dans la réplication mais remplacées par la suite sont extrêmement sujettes aux erreurs ( Zhang et Grosse 1990 Sheaff et Kuchta 1994 Kuchta et Stengel 2010).

Troisièmement, pour les raisons qui viennent d'être mentionnées, les taux d'erreur des voies en aval des étapes de la réplication du génome devraient être élevés par rapport à ceux de la machinerie de polymérisation initiale, car un plus petit nombre de sites nucléotidiques restera à desservir. Ainsi, il convient de noter que les taux d'erreur de relecture in vitro associés aux principales polymérases de réplication dans Escherichiacoli et Saccharomyces cerevisiae, la seule espèce pour laquelle des données existent, sont beaucoup plus élevées que celles de l'étape de polymérisation initiale ( Bebenek et al. 1990 Cai et al. 1995 Bloom et al. 1997 Shimizu et al. 2002 Hashimota et al. 2003 Shcherbakova et al. 2003 Fortune et al. 2005 Nick McElhinny et al. 2007 Pursell et al. 2007 McCulloch et al. 2009). Les observations sur la voie de réparation des mésappariements (MMR) encore plus en aval sont également cohérentes avec les attentes théoriques. Dans E. coli, le taux d'erreur in vitro de la principale polymérase réplicative est d'environ 10 − 6 par incorporation de base ( fig. 4), alors que le taux d'erreur in vivo associé au MMR chez cette espèce et la plupart des autres eubactéries est compris entre 0,01 et 0,05 (par exemple, Schaaper et Dunn 1998 Prudhomme et al. 1991 Schaaper 1993 Fujii et al. 1999 Oliver et al. 2000 Richardson et Stojilkovic 2001 Rossolillo et Albertini 2001 Young et Ornston 2001 Mérino et al. 2002 Shaver et Sniegowski 2003 Prunier et Leclercq 2005) . (Ici, le taux d'erreur MMR est simplement défini comme la fraction d'erreurs apparaissant après l'action de la polymérase qui ne sont pas éliminées par MMR.) De même, chez la levure S. cerevisiae, le taux d'erreur in vitro de la principale polymérase réplicative est d'environ 5 × 10 − 5 ( fig. 4), alors que celui du MMR est d'environ 0,025 ( Prolla et al. 1994 Johnson et al. 1996 Marsischky et al. 1996 Sia et al. . 1997 Harrington et Kolodner 2007) et chez les mammifères, les taux respectifs sont d'environ 10 − 5 ( fig. 4) et 0,05 ( Bhattacharyya et al. 1995 Glaab et Tindall 1997 Tindall et al. 1998 Umar et al. 1998 Baross-Francis et al. 2001 Xu et al. 2001 Zhang et al. 2002 Dobrovolsky et al. 2003 Hegan et al. 2006). Ainsi, pour les systèmes limités pour lesquels des données sont disponibles, les taux d'erreur associés au MMR sont de trois à quatre ordres de grandeur supérieurs à ceux associés aux étapes initiales de la polymérisation. Qualitativement, une telle réduction est cohérente avec la théorie en ce sens que lors de la réplication, la voie MMR n'opère qu'à la fraction 10 - 6 à 10 - 5 des sites génomiques qui émergent avec des erreurs après les étapes initiales de la polymérisation, tout en s'engageant également dans d'autres processus de réparation dans l'ADN non réplicatif.

Quatrièmement, la théorie prédit que les taux de mutation évoluée devraient être élevés dans la recombinaison des espèces par rapport aux taxons asexués avec les mêmes tailles de population effectives, d'un facteur égal approximativement à l'inverse du désavantage sélectif moyen d'une nouvelle mutation, qui est généralement de l'ordre de de 0,001 à 0,01 ( Lynch et Walsh 1998). Plus généralement, si une espèce passe d'un croisement obligatoire à une reproduction asexuée obligatoire, la sélection devrait réduire le taux de mutation si N a > 2 N es − , ce qui suggère que les espèces véritablement asexuées avec de très grandes tailles de population abriteront probablement des systèmes de réplication particulièrement précis. . En l'absence d'informations précises sur Nune/Ne pour de telles lignées, il est actuellement difficile d'aborder cette question avec confiance. On pourrait faire valoir que le taux réduit de mutation chez les procaryotes par rapport aux eucaryotes est qualitativement cohérent avec cette hypothèse, car les procaryotes sont généralement considérés comme asexués. Cependant, des preuves indirectes suggèrent une quantité comparable de recombinaison chez les procaryotes et les eucaryotes lorsqu'elles sont mises à l'échelle du taux de mutation ( Lynch 2007).

Il a été suggéré qu'un endosymbionte bactérien habitant les pucerons, et pensé pour avoir Nune/Ne≪1 et essentiellement aucune recombinaison, a un taux de mutation d'environ 10 fois celui des espèces bactériennes libres ( Moran et al. 2009). Comme les deux changements dérivés du cycle biologique devraient avoir des effets contradictoires sur le taux de mutation, la théorie suggère que la réduction de Ne a eu un effet plus important que la réduction du taux de recombinaison, bien que cette interprétation soit brouillée par le fait qu'une absence de recombinaison devrait induire une réduction de Ne via des effets d'auto-stop. Un point connexe concerne l'argument selon lequel une sensibilité accrue aux mutations modifiant les acides aminés chez les bactéries thermophiles entraîne l'évolution d'un taux de mutation de substitution de base réduit ( Friedman et al. 2004). Comme indiqué ci-dessus, chez les espèces non recombinées, l'ampleur de la sélection sur le taux de mutation est indépendante des effets de fitness des mutations, qui ne deviennent un facteur que lorsque le taux de recombinaison est bien supérieur à l'effet délétère moyen des mutations. Ainsi, la validité de l'interprétation de Friedman et al. (2004) dépend du degré auquel les génomes des bactéries thermophiles sont hérités de façon clonale.


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