La théorie de l'évolution de Darwin par sélection naturelle est incomplète sans la contribution de l'anti-héros Lamarck
Une grande partie de la biologie moderne est basée sur la théorie de l'évolution de Charles Darwin en tant que processus de sélection naturelle, lorsque la nature choisit les organismes les plus forts et les plus adaptés pour se reproduire, augmenter la population et survivre. Ce processus est également appelé adaptation, et adaptatifs sont ces traits qui aident le corps à survivre mieux que les autres. Au fur et à mesure que de nouvelles modifications des organismes changent et prennent racine, des espèces apparaissent et se développent. Dans les années 1850, lorsque Darwin décrivit le moteur de la sélection naturelle, les mécanismes moléculaires sous-jacents n'étaient pas encore connus. Mais les progrès de la génétique et de la biologie moléculaire du siècle dernier ont esquissé les principes de base de la théorie néo-darwinienne moderne du fonctionnement de l'évolution: les séquences d'ADN mutent au hasard,et les organismes dont l'ADN est le mieux adapté à l'environnement se multiplient et dominent. Ces espèces prévalent jusqu'à ce que les conditions environnementales commencent à changer et que le moteur de l'évolution redémarre.
Mais si nous supposons que d'autres mécanismes moléculaires jouent également un rôle dans le développement des espèces, alors cette explication de l'évolution s'avère incomplète. Le problème avec la théorie de Darwin est que, bien que les espèces développent des propriétés plus adaptatives (appelées phénotypes en biologie), la vitesse à laquelle les mutations aléatoires se produisent dans les séquences d'ADN est trop lente pour tenir compte de la plupart des changements observés. Les scientifiques bien conscients de ce problème suggèrent un certain nombre de mécanismes génétiques compensatoires: la dérive génique, lorsque des changements génétiques graves se produisent au sein d'un petit groupe d'organismes, ou l'épistasie, lorsqu'un ensemble de gènes en supprime un autre. Et ce ne sont là que deux exemples parmi tant d'autres.
Mais même avec ces mécanismes à l'esprit, le taux de mutation génétique parmi des organismes complexes tels que les humains est nettement inférieur au taux de changement dans une gamme de traits allant de la régulation métabolique à la résistance aux maladies. La manifestation rapide d'une variété de traits est difficile à expliquer uniquement par les méthodes de la génétique classique et de la théorie néo-darwinienne. Pour citer l'éminent biologiste évolutionniste Jonathan BL Bard, paraphrasant TS Eliot: "Une ombre est tombée entre le phénotype et le génotype."
Les points problématiques de la théorie de Darwin vont au-delà de la théorie de l'évolution et s'étendent à d'autres domaines de la biologie et de la biomédecine. Par exemple, si nos traits sont déterminés par l'hérédité, alors pourquoi des jumeaux identiques avec le même ensemble de gènes ont-ils tendance à avoir des maladies différentes? Et pourquoi est-ce que seul un petit nombre (souvent moins de 1%) de ceux qui souffrent de maladies spécifiques ont des mutations génétiques communes? Si le taux de mutations est aléatoire et uniforme, pourquoi la proportion de nombreuses maladies a-t-elle décuplé en seulement quelques décennies? Pourquoi des centaines de types de pollution de l'environnement modifient-ils les circonstances d'apparition des maladies, mais pas la séquence d'ADN du malade? Dans l'évolution et la biomédecine, le taux de formation des écarts par rapport aux traits phénotypiques est beaucoup plus élevé que le taux de changements génétiques et de mutations, mais pourquoi?
Certaines réponses peuvent être trouvées dans les idées de Jean-Baptiste Lamarck, publiées 50 ans avant la publication de l'œuvre de Darwin. La théorie de Lamarck, longtemps passée à la poubelle de l'histoire, soutenait, entre autres, que «l'environnement modifie des propriétés qui sont ensuite héritées par les nouvelles générations». Lamarck était professeur de zoologie des invertébrés au Muséum national d'histoire naturelle de Paris, et à la fin du 18e et au début du 19e siècle, il a étudié une variété d'organismes, y compris les insectes et les vers. C'est lui qui a introduit les mots «biologie» et «invertébrés» dans le lexique scientifique, et il est également l'auteur de plusieurs livres sur la biologie, les invertébrés et l'évolution. Malgré sa carrière scientifique distinguée, Lamarck, avec ses idées évolutionnistes blasphématoires, a été démenti par de nombreux contemporains, ainsi que des scientifiques pendant les 200 prochaines années.
Initialement, Lamarck a été condamné comme hérétique religieux, et à notre époque, son nom n'est rappelé que comme une blague, à cause du conservatisme de la science, et en particulier de la théorie inviolable de l'évolution de Darwin. Au terme de son parcours scientifique, Lamarck lui-même a changé ses croyances: même sans confirmation du domaine de la biologie moléculaire, il a vu que les changements aléatoires ne peuvent pas devenir une preuve à part entière de sa théorie.
La question est la suivante: si les mutations génétiques ne sont pas seulement affectées par la sélection naturelle, alors quelles sont les forces moléculaires qui façonnent l'ensemble complet des changements de traits nécessaires pour achever le travail de sélection naturelle? L'un des indices a été trouvé près d'un siècle après que Darwin a présenté sa théorie. En 1953, alors que James Watson et Francis Crick découvraient les mystères de l'ADN et de la double hélice, le biologiste évolutionniste Conrad Waddington de l'Université d'Édimbourg a rapporté que des stimuli chimiques externes ou des changements de température au cours du développement embryonnaire pourraient provoquer l'apparition de diverses variantes de la structure des ailes chez la drosophile. Les changements que les actions du scientifique ont provoqués dans les organismes d'une génération ont ensuite été transmis à la progéniture. Pour expliquer ce mécanisme de changement rapide, Waddington a inventé le terme moderne d'épigénétique. Il convient de noter que Waddington était conscient de l'importance de sa découverte pour la théorie de l'évolution, avant même que Watson et Crick n'en déduisent des données sur la structure de l'ADN. Les changements dans la structure des ailes d'une génération de drosophile ont confirmé les idées originales de l'hérétique Lamarck. Il s'est avéré que l'environnement est capable d'influencer directement les caractéristiques de l'organisme.que l'environnement peut affecter directement les caractéristiques de l'organisme.que l'environnement peut affecter directement les caractéristiques de l'organisme.
Vidéo promotionelle:
Bien que Waddington ait décrit le rôle général de l'épigénétique, il n'en savait pas plus sur les éléments et les mécanismes moléculaires que Darwin ou Lamarck. Mais la biologie moléculaire plus profonde décode le système de fonctionnement de la vie, les concepts de Waddington et de Lamarck plus significatifs deviennent. En effet, la grande majorité des facteurs environnementaux ne peuvent pas affecter directement la séquence moléculaire de l'ADN, mais ils régulent de nombreux mécanismes épigénétiques qui contrôlent les fonctions de l'ADN: ils déclenchent ou éteignent l'expression des gènes, dictent les modes d'expression dans les cellules des protéines - le produit de nos gènes.
Aujourd'hui, il existe une définition précise de l'épigénétique - c'est un ensemble de facteurs moléculaires qui déterminent comment l'ADN fonctionne et quels gènes se manifestent, quelle que soit la séquence d'ADN elle-même. L'épigénétique comprend un certain nombre de processus moléculaires qui affectent de manière significative l'activité du génome sans changer la séquence d'ADN dans les gènes eux-mêmes.
L'un des processus les plus courants de ce type est la méthylation de l'ADN, lorsque des composants moléculaires appelés groupes méthyle (constitués de méthane) sont attachés à l'ADN, qui activent et désactivent les gènes et régulent l'expression des gènes. Il a été démontré que des facteurs environnementaux, tels que la température et le stress émotionnel, peuvent modifier le cours de la méthylation de l'ADN, et les changements peuvent faire partie d'un programme permanent et commencer à être hérités par les générations suivantes. Ce processus est appelé héritage épigénétique.
Un autre processus épigénétique important découvert ces dernières années est la modification des histones. Les histones sont des protéines qui se fixent à l'ADN et modifient sa structure, et l'ADN, à son tour, s'enroule autour des histones comme des perles sur une chaîne. La combinaison d'ADN et d'histones est appelée structures de la chromatine, et les bobines, les boucles et les cordes de la chromatine sont une réponse à un stress environnemental qui peut modifier de manière permanente l'expression des gènes.
Plus récemment, des scientifiques ont documenté le processus de méthylation de l'ARN, dans lequel les groupes méthyle se fixent aux molécules auxiliaires, modifiant l'expression des gènes et la production de protéines dans les générations suivantes. De plus, l'action des ARN dits non codants, petites molécules d'ARN qui se lient à l'ADN, à l'ARN et aux protéines, modifie également l'expression génique quelle que soit la séquence d'ADN.
Tous ces mécanismes de l'épigénétique sont critiques et jouent un rôle important dans la régulation moléculaire des fonctions de l'ADN. Il en découle que les normes de la biologie ne sont jamais construites uniquement sur la génétique ou uniquement sur des processus épigénétiques. Au contraire, les processus de génétique et d'épigénétique sont intimement liés. L'un ne fonctionne pas sans l'autre.
Selon les lois de l'épigénétique, pour qu'un changement ait un impact sur l'évolution, il doit être hérité par les générations suivantes sous forme de séquences d'ADN ou de mutations génétiques. Mais l'héritage épigénétique n'est pas en corrélation avec de nombreuses lois de Mendel qui s'appliquent à la génétique classique ou à la théorie évolutionniste néo-darwinienne. Selon ces règles, les séquences d'ADN et les gènes fonctionnent séparément, comme des particules: lors de la reproduction, les «particules» d'un parent sont combinées au hasard avec une paire de l'autre parent, ce qui conduit à l'émergence d'une nouvelle séquence d'ADN et à une nouvelle manifestation de traits héréditaires.
En revanche, l'hérédité épigénétique se produit lorsque la lignée germinale (sperme ou ovule) transmet des informations épigénétiques d'une génération à l'autre, même en l'absence de facteurs environnementaux directs à long terme. Ces facteurs, comme le stress environnemental, sont particulièrement forts pendant le développement embryonnaire, par exemple, pendant la période où les organes reproducteurs du fœtus sont transformés en testicules chez les mâles et en ovaires chez les femelles, afin de produire des spermatozoïdes et des ovules à un âge plus avancé. En effet, les facteurs environnementaux à ce moment critique peuvent induire des changements épigénétiques permanents par la méthylation de l'ADN, les modifications d'histones et le réarrangement des ARN non codants.
En 2000, mon équipe de l'Université de Washington a reçu des preuves de cette forme d'héritage non génétique, et c'est assez convaincant. Les résultats, que mon groupe a publiés dans Science en 2005, ont montré que les produits chimiques dans l'environnement peuvent favoriser la transmission de certaines maladies chez trois générations de rats et au-delà, même sans exposition prolongée. Plus tard, c'est-à-dire au cours des dix dernières années, ce phénomène a été documenté par de nombreux laboratoires pour diverses espèces. Un exemple est un rapport de Graham Burdge et de son équipe de l'Université de Southampton, au Royaume-Uni, sur la façon dont la suralimentation des rats a causé des troubles métaboliques épigénétiques pendant trois générations à venir.
Dans un autre travail, Sibum Sung et ses collègues de l'Université du Texas à Austin ont découvert que la sécheresse et les fluctuations de température provoquent une évolution épigénétique des plantes, entraînant des générations de changements dans la croissance et la floraison. Selon un certain nombre d'études, le stress environnemental peut contribuer à des changements épigénétiques qui sont transmis aux générations suivantes et y provoquer des pathologies. Une étude récente de Gerlinde Metz et de ses collègues de l'Université de Lethbridge au Canada a montré que lorsque des rates gravides étaient emprisonnées ou forcées à nager, des dommages épigénétiques se produisaient qui menaçaient les nouveau-nés. Ce stress générique a déclenché une chaîne d'héritage épigénétique d'anomalies sur plusieurs générations le long de la lignée de la femelle stressée. Le rôle du stress environnemental dans l'hérédité épigénétique des maladies sur plusieurs générations est maintenant étayé par plusieurs autres études.
Un héritage épigénétique sous l'influence de facteurs environnementaux est observé chez les plantes, les insectes, les poissons, les oiseaux, les rongeurs, les porcs et les humains. C'est donc un phénomène très persistant. Il a été démontré que l'hérédité transgénérationnelle épigénétique de divers traits phénotypiques et maladies se produit dans la plupart des organismes sur au moins dix générations, et les études les plus approfondies ont étudié des centaines de générations de plantes. Par exemple, même Carl Linnaeus au 18ème siècle a remarqué que la floraison des plantes peut être causée par une augmentation de la température, et plus tard, il s'est avéré que cela était dû à des modifications de la méthylation de l'ADN dans la première plante de la chaîne, et le trait persiste pendant cent générations. Chez les vers, les signes causés par les changements de nutrition s'étendent sur 50 générations. Chez les mammifères,chaque génération qui vit plus longtemps, nous avons découvert des écarts par rapport à la norme causés par l'influence des toxines, se propageant aux dix prochaines générations. La plupart de ces études montrent que les traits transgénérationnels se poursuivent plutôt que dégénèrent. Même dans l'expérience de Waddington avec les mouches, il s'agissait de 16 générations, et toutes avaient des propriétés modifiées qui continuent d'être transmises d'une génération à l'autre jusqu'à ce jour.qui continuent à se transmettre d'une génération à l'autre à ce jour.qui continuent à se transmettre d'une génération à l'autre à ce jour.
Les changements dans l'environnement changent littéralement la biologie, et cela est en grande partie conforme à l'hypothèse de Lamarck. Même si l'exposition est de courte durée, les modifications biologiques qui se manifestent dans certains traits ou maladies se transmettent d'une génération à l'autre.
L'environnement joue un rôle essentiel dans l'évolution. Dans un sens darwinien, il détermine quels individus et quelles espèces survivront dans la machine impitoyable de la sélection naturelle. Mais un grand nombre de facteurs environnementaux peuvent aussi influencer directement l'évolution et la biologie, c'est-à-dire au moyen de l'épigénétique: les propriétés de l'organisme peuvent changer sous l'influence de la température ou de la lumière, ou en réponse à des paramètres nutritionnels tels qu'un régime riche en graisses ou une restriction calorique. Une variété de produits chimiques et de toxines provenant des plantes et de l'environnement en général peuvent affecter les changements phénotypiques et la santé.
Un exemple que nous avons étudié dans notre laboratoire concernait les effets chimiques sur la variabilité des signes et de la maladie. Nous avons examiné la capacité de la toxine vinclozoline, le fongicide le plus couramment utilisé en agriculture, à influencer les caractères par des changements épigénétiques. Tout d'abord, nous avons exposé une rat femelle gestante à ce fongicide, après quoi nous avons attendu trois générations pour sa progéniture, n'utilisant plus la toxine. Presque tous les hommes ont montré une diminution du nombre et de la viabilité des spermatozoïdes et, avec l'âge, des cas d'infertilité. Nous avons également observé un certain nombre d'autres états pathologiques chez les hommes et les femmes, trois générations séparées de l'exposition directe à la toxine. Parmi ces conditions figuraient des anomalies des fonctions des testicules, des ovaires, des reins, de la prostate, des glandes mammaires et du cerveau. Les changements épigénétiques correspondants dans les spermatozoïdes entraînent des changements dans la méthylation de l'ADN et l'expression des ARN non codants.
Notre étude a montré que l'exposition à la toxine vinclozoline a conduit à une sélection sexuelle trois générations à venir. Pour observer la sélection sexuelle, ou la préférence du partenaire, qui a été considérée comme le principal moteur de l'évolution depuis que Darwin a présenté sa théorie, les femelles d'autres portées ont eu la possibilité de choisir entre la progéniture mâle de l'individu exposé et d'autres mâles. Dans la très grande majorité des cas, les femmes ont choisi celles qui manquaient de changements épigénétiques transgénérationnels, c'est-à-dire les hommes dont les ancêtres n'étaient pas affectés par la toxine. En d'autres termes, l'influence du fongicide a changé à jamais l'épigénétique du sperme de la progéniture, ce qui, à son tour, indique la nature héréditaire des caractéristiques de la sélection sexuelle, qui, comme vous le savez,cherche à réduire la propagation des gènes dans une population et affecte directement l'évolution à une échelle microévolutionnaire.
Dans une autre étude récente, nous avons abordé l'échelle macroévolutionnaire de l'évolution - la spéciation. L'un des exemples classiques de spéciation est celui des pinsons de Darwin dans les îles Galapagos. Un groupe de pinsons de la même espèce a produit seize nouvelles espèces, qui différaient en taille et variaient en d'autres traits, tels que la structure du bec. Notre équipe a décidé d'explorer cinq espèces différentes. Nous avons suivi les mutations des séquences d'ADN d'une espèce à l'autre, mais le nombre de changements épigénétiques dans la méthylation de l'ADN (épimutations) était plus élevé et plus corrélé avec la distance phylogénétique entre les espèces (pedigree). Bien que l'accent soit actuellement mis davantage sur les concepts génétiques néo-darwiniens, nos résultats suggèrent que l'épigénétique joue un rôle dans la spéciation et l'évolution des pinsons de Darwin.
La reconnaissance du rôle de l'épigénétique dans l'évolution continue de croître. Une étude intéressante compare l'ADN de Néandertal et l'ADN humain, et il est clair que les différences génétiques sont nettement moins prononcées que les différences épigénétiques concernant les changements dans la méthylation de l'ADN dans les génomes. En bref, la combinaison des concepts néo-lamarckiens et néo-darwiniens en une seule théorie fournit une base moléculaire beaucoup plus efficace pour l'évolution.
L'évolution est influencée à la fois par les mécanismes néo-darwiniens et néo-lamarckiens, et ils semblent être étroitement liés. En effet, puisque l'épigénétique environnementale peut augmenter la variabilité des traits au sein d'une population, elle élargit les possibilités de sélection naturelle, dans laquelle les traits adaptatifs dominent tous les autres. L'évolution néo-darwinienne classique s'appuie sur la mutation génétique et la variation génétique comme principal mécanisme moléculaire qui crée la diversité. A ces mécanismes s'ajoute le phénomène de l'épigénétique, qui augmente directement le nombre de variations des traits, ce qui augmente les chances que l'environnement devienne un médiateur dans le processus d'évolution et de sélection naturelle.
Une considération supplémentaire critique pour nous est la capacité de l'épigénétique à modifier la stabilité du génome et, ainsi, à induire directement les mutations génétiques observées en biologie du cancer. Ces mutations génétiques comprennent des variations du nombre de copies (le nombre de répétitions d'une courte séquence d'ADN) et des mutations ponctuelles (changements dans les nucléotides individuels en dehors de la séquence d'ADN) dans les générations suivantes. On sait que presque toutes les mutations génétiques ont des précurseurs épigénétiques - des changements qui augmentent le degré de sensibilité aux mutations. Nous avons observé comment l'impact direct de l'environnement dans la première génération n'a pas provoqué de mutations génétiques, mais a conduit à des changements épigénétiques, et dans les générations suivantes, une augmentation du nombre de mutations génétiques a été trouvée. L'épigénétique étant associée à la variabilité des deux caractères,ainsi également avec les mutations, il accélère le moteur de l'évolution, ce qui ne peut être fait par les mécanismes darwiniens seuls.
Beaucoup sont sceptiques quant à une théorie unifiée de l'évolution, en particulier à la lumière du paradigme du déterminisme génétique, qui a influencé les disciplines biologiques pendant plus de 100 ans. Le déterminisme génétique considère l'ADN comme la pierre angulaire de la biologie et la séquence d'ADN comme le contrôle ultime au niveau moléculaire.
La figure magique du déterminisme génétique était probablement le séquençage du génome humain, dont le but était de fournir une preuve concluante de la primauté du gène. Selon les prévisions, les études à l'échelle du génome devaient identifier les marqueurs biologiques des phénomènes de vie normaux et anormaux et mettre en évidence les conditions préalables aux maladies. Mais après l'avènement du séquençage, l'hypothèse principale du déterminisme génétique - l'affirmation selon laquelle la plupart de la biologie et des maladies humaines peuvent être interprétées à travers le prisme de la génétique - n'a pas été confirmée.
La génétique a été étudiée par de nombreuses générations de scientifiques et le public, mais peu se sont tournés vers la science relativement nouvelle de l'épigénétique: en pratique, l'inclusion de l'épigénétique dans l'étude des éléments moléculaires de la biologie et de l'évolution s'est heurtée à l'opposition. Watson, qui a joué un rôle dans la découverte de la structure de l'ADN, et Francis Collins, dont les travaux de séquençage du génome de l'ADN ont été significatifs, ont d'abord remis en question l'importance du facteur épigénétique, mais aujourd'hui les deux sont plus favorablement disposés. Francis Collins est maintenant à la tête des National Institutes of Health des États-Unis. Cependant, il n'est pas surprenant qu'après 100 ans de déterminisme génétique, beaucoup résistent aux changements de paradigme.
Un mois après avoir proposé une théorie unifiée de l'évolution, et elle a été publiée dans Genome Biology and Evolution en 2015, David Penny de l'Université Massey en Nouvelle-Zélande a suggéré que l'épigénétique est simplement une composante génétique des traits hérités. D'autres publications récentes, comme un article d'Emma Whitelaw de l'Université La Trobe en Australie, ont remis en question le concept de l'héritage épigénétique lamarckien chez les mammifères.
Malgré l'opposition, je suis convaincu que nous avons atteint un point où un changement de paradigme est imminent. La reconnaissance que l'épigénétique a joué un rôle dans l'évolution ne réfute pas l'importance de la génétique. Quiconque prend en compte les idées néo-lamarckiennes ne remet pas du tout en question la théorie néo-darwinienne classique. Les enseignements reconnus sont importants et précis, mais ce sont des éléments plus larges et plus détaillés qui élargissent notre compréhension en intégrant toutes nos observations en un tout cohérent. La théorie unifiée montre comment l'environnement influence simultanément la diversité phénotypique et simplifie la sélection naturelle, comme le montre le diagramme ci-dessus.
De plus en plus de biologistes évolutionnistes montrent un intérêt croissant pour le rôle de l'épigénétique, un certain nombre de modèles mathématiques ont déjà été créés qui combinent la génétique et l'épigénétique en un seul système, et ce travail a porté ses fruits avec intérêt. Considérer l'épigénétique comme un mécanisme moléculaire complémentaire permet de comprendre des phénomènes tels que la dérive génétique, l'assimilation génétique (lorsqu'un trait développé en réponse à des conditions environnementales finit par être codé dans les gènes), et même la théorie de l'évolution neutre, selon laquelle la plupart des changements se produisent. non pas en réponse à la sélection naturelle, mais par hasard. En introduisant un mécanisme moléculaire élargi pour l'observation par les biologistes, les nouveaux modèles créent un scénario plus profond, plus fin et plus précis pour l'évolution globale.
Prises ensemble, ces données nous obligent à repenser l'ancienne norme, le déterminisme génétique, à la recherche de lacunes. En 1962, Thomas Kuhn suggérait que lorsque des anomalies surviennent dans le paradigme actuel, il faut prêter attention aux nouvelles connaissances: c'est ainsi que la révolution scientifique est née.
Une théorie unifiée de l'évolution devrait combiner les aspects néo-darwiniens et néo-lamarckiens pour élargir notre compréhension de la façon dont l'environnement affecte le processus évolutif. Pour le bien de Darwin, on ne peut ignorer la contribution de Lamarck il y a plus de 200 ans. Au contraire, il doit être pris en compte afin de créer une théorie plus convaincante et plus complète. De même, la génétique et l'épigénétique ne peuvent pas être considérées comme des zones conflictuelles; au contraire, elles doivent être combinées afin d'obtenir un plus large éventail de facteurs moléculaires et, avec leur aide, d'expliquer ce qui anime notre vie.