De la duplication de structures circulaires

J. Lejeune

Extrait des Annales de Génétique 1968, volume 11, n° 2, pp. 71-77.


Sommaire

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Constitution d'un anneau

L'hypothèse du télomère, pardon terminale du chromosome empêchant toute soudure entre éléments, oblige à considérer qu'un anneau résulte de deux cassures selon le schéma (fig. 1a) suivies de recollement entre les segments B et C (fig. 1b).

Dans ces conditions tout anneau doit être déficient pour les fragments x et y dont la taille peut être très petite mais non nulle.

Il en résulte que tout individu porteur d'un chromosome en anneau doit être monosomique, pour une certaine portion x du bras court et pour une certaine portion y du bras long. S'il s'agit d'un chromosome 18, on doit donc retrouver chez les porteurs d'un 18 r un mélange de certains des stigmates du syndrome (18p-) aussi bien que de ceux du syndrome (18q-).

Ces considérations sont on accord avec certaines données d'observation (Grouchy et coll. 1965, Lejeune. et coll. 1966).

Si l'anneau observé dans les cellules d'un patient était la réplique fidèle du premier anneau (celui qui se trouvait inclus dans le zygote), il serait possible de tenir compte de ses dimensions pour estimer " a minima " les pertes subies par le bras long et le bras court. En effet la réplication d'une structure circulaire simple peut se produire sans accidents (fig. 1c et 1d).

Les mesures montrent cependant avec certitude que la longueur de l'anneau varie de cellule à cellule, et que les anneaux réellement présents chez l'individu, forment une " population " allant d'anneaux très petits, voire totalement absents, à des anneaux de taille double, ou même à deux exemplaires d'anneaux, identiques ou non, dans une même cellule.

L'analyse comparée du phénotype et du caryotype ne peut donc être entreprise sans tenir compte de ce polymorphisme et sans avoir considéré les changements de dosage génique qu'une telle variation peut introduire.


Fig. 1. - L'élimination du segment xy (1a) après deux cassures, permet la fermeture de l'anneau (1b). La duplication régulière de ce dernier (1c), aboutit à la ségrégation de deux anneaux-fils identiques (1d).

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Les mécanismes de variation somatique des anneaux

Plusieurs types d'accidents peuvent affecter les anneaux : la malségrégation, les remaniements de structures ou encore la pulvérisation.

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a) La malségrégation.

Le clivage asynchrone du centromère d'un anneau déjà dédoublé, peut aboutir à deux cellules anormales. L'une contient deux anneaux, l'autre n'en contient aucun. La première cellule est alors trisomique pour le contenu de l'anneau (et monosomique pour le fragment x y défini plus haut) alors que la seconde est entièrement monosomique pour le chromosome en cause.

Il est difficile de prévoir l'apparence phénotypique déterminée par une mosaïque de cellules trisomiques et de cellules monosomiques pour le même fragment. A moins d'imaginer une exacte compensation, il est vraisemblable que les déviations phénotypiques seront un mélange de signes de trisomie et de monosomie, bien que leur détection puisse être particulièrement délicate. Par ailleurs, la survie des deux types de cellule, n'étant probablement pas la même (puisque le type de la monosomie homogène est inconnu pour les chromosomes 13, 18 et 21 par exemple), il est probable, qu'au moins dans certains territoires, la population trisomique l'emporte sur la population monosomique.

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b) Formation des anneaux dicentriques.

Ainsi que l'a montré McClintock sur le maïs, les anneaux se transforment fréquemment en dicentriques, bien visibles dans de nombreuses mitoses.

Dans le matériel étudié (Lejeune et coll., ce numéro), les deux centromères sont toujours diamétralement opposés, dans la limite de l'incertitude des mesures.

On peut en inférer que l'anneau dicentrique ne résulte pas d'une double cassure suivie d'un recollement entre fragments identiques selon le schéma de la figure 2a et 2b. En effet, si les cassures se produisaient au hasard elles aboutiraient à des anneaux dont les centromères seraient en des points quelconques et non pas diamétralement opposes (fig. 2b). De plus, un tel type d'accident serait fortuit, puisqu'aucune tension mécanique ne serait susceptible de le produire.

Il est généralement admis que les anneaux dicentriques résultent du clivage d'un anneau ayant subi un échange entre chromatides soeurs selon le schéma de la figure 2c et 2d.

Ce mécanisme requiert que le centromère ne puisse jouer le rôle d'émérillon pour annuler la torsion résultant de l'échange de chromatides. Les observations de Lima de Faria sur la structure fine du centromère prophasique sont en accord avec cette impossibilité de rotation.

Dans ces conditions, la séparation des centromères produit un dicentrique dans lequel la séquence des gènes n'est pas perturbée. Il est aisé de s'assurer que la structure résultante est indépendante de la position du point d'échange et aboutit toujours et par nécessité à une répartition diamétrale des centromères.

L'existence d'échanges somatiques entre chromatides soeurs, démontrée par les expériences de Taylor, et largement confirmée depuis, permet d'affirmer que cette hypothèse d'un échange de chromatides se fonde sur un phénomène effectivement observé.

On remarque que d'après la figure 2 la position du segment nouveau et du segment ancien, par rapport aux centromères permet de différencier les deux modèles. Une étude statistique de ce phénomène après marquage à la thymidine tritiée permettrait d'apprécier la validité de cette hypothèse.


Fig. 2. - Le modèle (2 a) montre qu'une cassure, ici entre A et B suivie de recollement entre les fragments A et A' et B et B' respectivement, conduit à un dicentrique (2b). Les points d'échange y sont diamétralement opposés (jonction des chromatides blanches et grises) et situés à mi-chemin entre les deux centromères. Ceux-ci par contre sont en des points quelconques de l'anneau. Enfin la séquence génique d'un centromère à l'autre est profondément remaniée. Le modèle (2c) correspond à un échange de chromatides. Il en résulte un dicentrique dans lequel les centromères sont par nécessité diamétralement opposés, les points d'échange étant quelconques et l'ordre des gènes étant intégralement respecté (2d).

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c) Mécanique des anneaux dicentriques après un échange de chromatide.

Lors de l'anaphase, chacun des centromères d'un dicentrique migre vers l'un des pôles, d'où formation d'un pont avec mise en tension des deux chromatides.

Deux éventualités sont alors possibles :

- ou bien l'un des centromères " dérape " et l'ensemble du dicentrique se retrouve à l'un des pôles. Ce phénomène n'est pas absolument exceptionnel puisque c'est l'observation de ces dicentriques à la mitose suivante qui permet d'apprécier la position diamétrale des centromères ;

- ou bien les deux centromères tiennent bon et les chromatides se cassent selon le schéma de la figure 3a. Après l'anaphase les fragments rompus se recollent et les cellules-filles contiennent chacune un anneau dont la structure n'est pas nécessairement identique à celle de l'anneau original.

Pour simplifier le raisonnement nous prendrons l'exemple d'un dicentrique provenant du clivage d'un anneau ABCD (Fig. 3a).

Nous supposerons que les cassures se produisent entre deux gènes contigus ou entre un gène et le centromère et que les chromatides se rompent en des points quelconques, le lieu de rupture de l'une n'influençant pas la localisation de la seconde.

Si la chromatide de gauche se rompt entre les gènes B et C et celle de droite entre les gènes B et C aussi, la combinaison est dite diamétriale (fig. 3a et 3b). Les deux anneaux ainsi produits sont identiques entre eux et identiques à l'anneau d'origine. Toutes les combinaisons diamétrales possibles n'entraînent aucun changement du contenu génique des anneaux.

Par contre, si la chromatide de gauche se rompt entre D et le centromère et celle de droite en un point décalé d'un cran par rapport à D (entre les gènes D' et C'), cette rupture de guingois conduit à deux anneaux différents, l'un sera DABCD et l'autre ABC - le premier contenant deux fois le gène D et le second l'ayant perdu (fig. 3c et 3d).

Les quatre types de combinaisons, " diamétrales moins un gène ", (Ø - 1) donnent les anneaux

plus grandmoins grand
DABCDABC
CDABCDAB
BCDAB CDA
ABCDABCD

Les trois types de combinaisons " diamétrales moins deux gênes " (Ø - 2) donnent les anneaux

plus grand moins grand
BADCBADC
CBADCBAD
DCBADCBA

Les deux types de combinaisons, " diamétrales moins trois gènes " (Ø - 3) donnent les anneaux

plus grand moins grand
CBADCBAD
DCBADCBA

Enfin la combinaison " diamétrale moins quatre gènes " (Ø - 4) donne évidemment :

plus grand plus petit
ABCDABCDrien (centromère seul)

Au total, la duplication (ou la déficience) de A se produit 4 fois, celle de B 6 fois, celle de C 6 fois et celle de D 4 fois.

En généralisant le problème on démontre (Lejeune 1967) que pour un gène de rang r situé sur un anneau contenant n gènes, la probabilité d'être exclu ou inclus induement, c'est-à -dire d'être doublé sur l'un des anneaux fils et absent de l'autre, est donnée par la formule

Pr = r (n - r + 1 ) / [ n (n + 1) ( n + 2) / 6]

Dans cette formule le numérateur se trouve définir chacun des termes de la diagonale d'entrée n d'une table de Pythagore et le dénominateur correspond à la somme de ceux-ci.

La figure 4 montre que cette distribution, calculée pour 20 gènes, se confond très rapidement avec une courbe continue lorsque n est grand.

Si l'on suppose que le centromère d'un anneau est coupé en deux et que le chromosome est allongé sur l'axe des abscisses tel que ABCD sur la figure 4, chaque point de la courbe détermine la probabilité pour un gène donné (de rang r, variant entre 0 et n) d'être gagné ou perdu lors du processus.

L'intérêt de cette constatation est que les régions médianes de l'anneau, qui peuvent être situées à distance des points de rupture initiaux, sont les plus sensibles à l'effet de monosomie/polysomie qui résulte nécessairement de la répétition du processus.

Ces considérations obligent à la plus extrême prudence dans l'interprétation des corrélations entre les stigmates phénotypiques et la métrique de l'anneau.


Fig. 3a. - La rupture des chromatides en des points diamétralement apposés (ici entre B et C) aboutit à des anneaux identiques : ceci est vrai pour toutes les ruptures diamétrales possibles (3b). Fig. 3c. - Les ruptures de guingois produisent des anneaux remaniés. Ici la cassure de gauche a lieu entre D et le centromère et celle de droite entre D et C. L'un des anneaux ne reçoit aucun gène D et l'autre anneau en reçoit deux. Les différentes combinaisons de guingois, diamétrales moins un gène (Ø - 1) sont ici centromère ?D et D' ? C' ; C ? D et C'? B' ; C ? B et A' ? B' ; B ? A et A' ?centromère. Toutes ces combinaisons aboutissent à des anneaux fils différents, l'un ayant perdu un gène l'autre en ayant gagné un (3 d).


Fig. 4. - Courbe de distribution de Pr = r(n - r + 1)/n(n + 1)(n +2)/6 indiquant la probabilité d'inclusion ou d'exclusion d'un gène en l'onction de sa position par rapport au centromère. L'anneau est supposé allongé sur l'axe des abscisses, le centromère ayant été coupé en deux.

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d) Mécanique des anneau dicentriques après n échanges de chromatides.

Cas de deux échanges

Si deux échanges de chromatides se produisent en même temps sur le même anneau, leurs conséquences dépendent du " pas " de ces échanges.

Si, les deux échanges sont de " pas " contraire, ils s'annulent et la séparation des centromères aboutit à des anneaux fils normaux identiques entre eux et à l'anneau d'origine.

Par contre si les deux échanges sont de même " pas ", leurs effets s'ajoutent et la séparation des centromètres aboutit à des anneaux enclavés (fig. 5a et 5b).

Ces anneaux enclavés, mis en tension lors de l'anaphase, forment un pont et peuvent alors :

- soit obliger l'un des centromères à " déraper ", les deux anneaux enclavés migrant dans la même cellule ;

- soit se rompre (fig. 5c) et redonner des anneaux normaux (fig. 5d).

L'enclavement des anneaux ne leur permet plus de se séparer lors d'une mitose ultérieure, à moins d'une nouvelle rupture redonnant des anneaux normaux.

Cas de trois échanges de chromatides et plus

Si les trois échanges sont de même " pas " le clivage devient impossible et les anneaux sont doublement enclavés. Toute augmentation du nombre des échanges de même pas, aboutit à une spiralisation de la portion intéressée et interdit toute séparation. Il n'est pas exclu qu'une telle configuration gêne le processus de duplication lui-même et puisse être la cause de la pulvérisation de l'anneau.

Si les échanges sont de " pas " différents on peut ne considérer que leur somme algébrique : par exemple si ng échanges se font avec un pas à gauche et nd échanges avec un pas à droite, l'effet total est comparable à nt échanges de même pas, tels que nt = |ng - nd|


Fig. 5. - Deux échanges (5a) de même pas (entre C et B), produisent des anneaux enclavés (5b). La rupture de l'un d'eux (5c), suivie de recollement, peut conduire à deux anneaux - fils identiques (5d).

e) Duplications générales

La validité de ce modèle, assimilant à une surface de Moebius un anneau ayant subi un échange de chromatides est difficile à estimer, bien qu'il permette de décrire correctement les phénomènes observés.

Une telle conception soulève, en effet, plusieurs problèmes dont deux au moins sont d'importance.

a) Spiralisation métaphasique des chromatides.

Ainsi que le maniement d'un cercle de fil de fer permet de s'en assurer aisément, il est impossible de former une spirale régulière à partir d'un filament refermé sur lui-même, aussi souple soit-il.

Comme l'hypothèse d'un centromère jouant le rôle d'un émérillon est en désaccord avec les données cytologiques, il devient nécessaire d'imaginer que la spirale change de " pas " le long du chromosome, certains segments ayant un pas à droite et d'autres un pas à gauche, la somme algébrique des " pas " s'annulant. Bien qu'il soit très difficile de dire si cette équivalence est réalisée, il est intéressant de noter à ce sujet que Holm et Bajer ont observé ces changements de pas lors de la condensation des chromosomes mitotiques en bâtonnet.

b) Le clivage des anneaux d'ADN

Il est peut-être injustifié de passer d'une structure microscopique comme celle des anneaux chromosomiques, à une structure moléculaire telle que l'anneau des bactéries ou celui des mitochondries, mais il est difficile, de ne pas évoquer ce problème.

Un anneau d'ADN peut être assimilé à une surface de Moebius tordue de n " pas ", n étant égal au nombre de 1/2 tours de spire du modèle de Watson et Crick. La duplication normale d'une telle structure est impossible et c'est pour cette raison que Cairn (1966) a postulé l'existence d'un émérillon, sous la forme imagée d'une petite manivelle, située au point de départ de la duplication et qui pourrait être confondue avec le point d'attache de l'anneau sur la paroi cellulaire (Jacob 1966). Le nombre de tours de spire et la vitesse de division des bactéries imposeraient à cette manivelle, dont la constitution est totalement inconnue, une vitesse de rotation de l'ordre de celle d'une ultra-centrifugeuse. Cette hypothèse de l'émérillon semble assez communément admise, mais elle ne peut être considérée comme démontrée.

Si l'anneau d'ADN changeait de " pas " de telle façon que la somme algébrique des pas fût nulle, l'émérillon cesserait d'être nécessaire.

On remarquera qu'un tel modèle prévoit qu'en cas d'échange entre les deux fibres d'ADN (équivalent à l'échange de chromatide des chromosomes en anneau), il devrait apparaître :

- des anneaux de taille double (un " pas "),

- des anneaux de tailles diverses (par rupture de dicentriques),

- et des anneaux enclavés (deux " pas " de même sens).

Ces trois phénomènes ont été effectivement observés par Clayton et Vinograd (1967) et Hudson et Vinograd (1967) dans les anneaux d'ADN provenant de mitochondries humaines.

D'après le modèle théorique discuté, an pourrait conclure que la séquence des bases de l'ADN mitochondrial est soumise à des remaniements, véritable bruit de fond, brouillant progressivement le message génétique. Un tel phénomène pourrait être rapproché de l'inéluctable vieillissement des lignées cellulaires somatiques.

Par contre, à l'échelle de l'ADN nucléaire des bactéries, ce modèle autoriserait bien les mutations ponctuelles, par échange de bases, mais imposerait une très sévère sélection topologique aux duplications et déficiences qui ne pourraient " s'établir " qu'à " somme de " pas " nulle ".

La difficulté majeure d'un tel modèle provient de la contrainte qu'il impose à la structure de l'ADN. Cette molécule devrait alors être, soit à moitié dextrogyre et à moitié sinistrogyre, soit rester entièrement dextrogyre, mais subir un pliage secondaire avant fermeture de l'anneau, tel que la spirale primaire soit topologiquement annulée.

Certes, on ne peut prétendre que ce modèle d'annulation de deux systèmes torses opposés soit préférable à l'émérillon de Cairn ; mais l'on peut simplement remarquer qu'il s'appliquerait aux deux échelles de grandeur, moléculaire et chromosomique alors que l'émérillon ne peut pas rendre compte des faits cytologiques.

Seule une connaissance approfondie de la mécanique moléculaire des anneaux d'ADN permettra d'aborder ce problème par une autre voie que la simple abstraction utilisée ici.


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