Des scientifiques viennent de découvrir un gène qui explique un exemple de sélection naturelle souvent mentionné dans les manuels scolaires. Ce gène rend les papillons de nuit poivrés gris tachetés noirs. Ce gène pourrait également contrôler les changements de couleur des ailes chez les papillons aux couleurs vives.

Un mystère est apparu en Grande-Bretagne dans les années 1800. Une révolution industrielle venait de s’installer. Les usines affairées ont commencé à assombrir le ciel avec la fumée provenant de la combustion du bois et du charbon. La pollution fuligineuse noircissait les troncs d’arbres. En peu de temps, les scientifiques de l’époque victorienne ont également noté un changement chez les papillons de nuit poivrés (Biston betularia). Une nouvelle forme, entièrement noire, est apparue. On l’appela B. betularia carbonaria, ou version  » charbon de bois « . L’ancienne forme devint typica, ou la forme typique.

Les oiseaux avaient pu facilement repérer les anciennes mites poivrées, de couleur claire, lorsqu’elles se posaient sur les troncs d’arbres noircis par la suie. Leurs nouveaux cousins sombres se fondaient plutôt dans la masse. Résultat : ces carbonaires avaient moins de chances d’être mangés.

Non surprenant, le nombre de papillons de nuit de couleur claire a commencé à diminuer alors que celui de leurs cousins foncés augmentait. En 1970, dans certaines régions polluées, près de 99 % des papillons de nuit poivrés étaient désormais noirs.

À la fin du XXe siècle, les choses ont commencé à changer. Des lois visant à contrôler la pollution sont entrées progressivement en vigueur. Les entreprises ne pouvaient plus jeter autant de pollution fuligineuse dans l’air. Très vite, les oiseaux ont pu à nouveau espionner facilement les papillons de nuit noirs. Aujourd’hui, les mites carbonaria sont devenues rares et les mites typica dominent à nouveau.

La pollution n’a pas rendu les mites noires. Elle a juste donné un avantage de camouflage à tous les papillons de nuit qui portaient le changement génétique qui rendait leurs ailes noires. Et lorsque la pollution a disparu, l’avantage des mites noires a également disparu.

Pour autant, les scientifiques restaient perplexes quant à la façon dont les mites noires sont apparues. Jusqu’à aujourd’hui, en fait. Des chercheurs anglais ont attribué la différence entre un papillon de nuit typica et carbonaria à une modification génétique. Il se produit dans le gène appelé cortex.

Les scientifiques ont rapporté leur découverte le 1er juin dans Nature.

Un exemple d’évolution à changement rapide

Les gènes détiennent les instructions qui indiquent aux cellules ce qu’elles doivent faire. Au fil du temps, certains gènes peuvent changer, souvent sans raison apparente. De tels changements sont connus sous le nom de mutations. Selon Paul Brakefield, cette étude « commence à démêler exactement quelle était la mutation originale » qui a produit les papillons de nuit noirs. Il est biologiste évolutionniste à l’université de Cambridge, en Angleterre. Cette découverte, dit-il, « ajoute un élément nouveau et passionnant à l’histoire. »

Les changements de couleur des ailes chez les papillons de nuit poivrés sont un exemple courant de ce que les scientifiques appellent la sélection naturelle. Dans celle-ci, les organismes développent des mutations aléatoires. Certains des changements de gènes vont laisser des individus mieux adaptés – ou adaptés – à leur environnement. Ces individus auront tendance à survivre plus souvent. Et ce faisant, ils transmettront la mutation utile à leur progéniture.

Éventuellement, la plupart des individus survivants seront porteurs de ce gène modifié. Et si cela arrive à suffisamment d’individus, ils peuvent constituer une nouvelle espèce. C’est l’évolution.

Un autre exemple d’adaptation et de sélection naturelle est celui des papillons qui ont copié, ou imité, les motifs de couleur des autres. Certains papillons sont toxiques pour les oiseaux. Les oiseaux ont appris à reconnaître les motifs des ailes de ces papillons et à les éviter. Les papillons non toxiques peuvent développer des modifications génétiques qui font que leurs ailes ressemblent à celles des papillons toxiques. Les oiseaux évitent les faux. Cela laisse les imitateurs augmenter en nombre.

Les détails des changements de gènes derrière les adaptations de la mite poivrée et du papillon avaient échappé aux scientifiques pendant des décennies. Puis, en 2011, les chercheurs ont retracé les traits à une région de gènes qui existe à la fois chez les mites et les papillons. Pourtant, le ou les gènes précis à l’origine de ces changements restaient un mystère.

Chez les papillons de nuit poivrés, la région d’intérêt comprenait environ 400 000 bases d’ADN. Les bases sont des unités chimiques porteuses d’informations qui constituent l’ADN. Chez ces insectes, la région accueillait 13 gènes distincts et deux microARN. (Les microARN sont de courts morceaux d’ARN qui ne portent pas le plan de fabrication des protéines. Ils aident cependant à contrôler la quantité de certaines protéines qu’une cellule va fabriquer.)

Dépistage du changement de gène

« Il n’y a pas vraiment de gènes qui vous crient dessus en disant « je suis impliqué dans le modelage des ailes », observe Ilik Saccheri. Il est généticien évolutionniste à l’université de Liverpool, en Angleterre. Il a également dirigé l’étude sur la mite poivrée.

Saccheri et son équipe ont comparé cette longue région d’ADN chez une mite noire et trois mites typiques. Les chercheurs ont trouvé 87 endroits où la mite noire différait de celles de couleur claire. La plupart des changements concernaient des bases d’ADN uniques. Ces variantes génétiques sont connues sous le nom de SNP. (Cet acronyme signifie polymorphismes nucléotidiques simples.) D’autres changements étaient des ajouts ou des suppressions de certaines bases d’ADN.

L’une des différences était une portion inattendue d’ADN de 21 925 bases. Il s’était en quelque sorte inséré dans la région. Ce gros morceau d’ADN contenait plusieurs copies d’un élément transposable. (On parle aussi de gène sauteur.) Comme un virus, ces morceaux d’ADN se copient et s’insèrent dans l’ADN d’un hôte.

L’équipe a examiné l’ADN de centaines d’autres papillons de nuit typica. Si un papillon de nuit de couleur claire présentait l’une des modifications, cela signifiait que cette modification n’était pas responsable de son cousin aux ailes noires. Un par un, les scientifiques ont éliminé les mutations qui pouvaient conduire à des ailes noires. Au final, ils ont trouvé un seul candidat. Il s’agissait du grand élément transposable qui avait atterri dans le gène du cortex.

Mais ce gène sauteur n’a pas atterri dans l’ADN qui fournit le plan de fabrication d’une certaine protéine. Au lieu de cela, il a atterri dans un intron. Il s’agit d’une portion d’ADN qui est hachée après la copie du gène dans l’ARN – et avant la fabrication d’une protéine.

Pour être sûr que le gène sauteur était responsable des ailes noires observées pendant la révolution industrielle, Saccheri et ses collègues ont déterminé l’ancienneté de la mutation. Les chercheurs ont utilisé des mesures historiques de la fréquence de l’aile noire au cours de l’histoire. Avec cela, ils ont calculé que le gène sauteur s’est posé pour la première fois dans l’intron du cortex vers 1819. Ce timing a donné à la mutation environ 20 à 30 générations de papillons de nuit pour se propager dans la population avant que les gens ne signalent pour la première fois des observations de papillons de nuit en 1848.

Saccheri et ses collègues ont trouvé cet élément transposable dans 105 des 110 papillons de nuit carbonaria capturés dans la nature. Il ne se trouvait dans aucun des 283 papillons de nuit typica testés. Les cinq autres papillons de nuit, concluent-ils maintenant, sont noirs en raison d’une autre variation génétique inconnue.

Bandes de papillons

Une deuxième étude dans le même numéro de Nature s’est concentrée sur les papillons Heliconius. Ces beautés colorées volent à travers les Amériques. Et comme les papillons de nuit poivrés, ils ont été des modèles d’évolution depuis les années 1800. Nicola Nadeau a dirigé un groupe de chercheurs qui a entrepris d’apprendre ce qui contrôle la couleur des ailes chez ces papillons.

Nadeau est généticien évolutionniste à l’Université de Sheffield en Angleterre. Son équipe recherchait des variantes génétiques associées à la présence – ou à l’absence – de bandes jaunes sur les ailes. Cette coloration est importante car cette bande jaune aide certaines espèces de papillons délicieux à imiter des espèces au goût vil. Se faire passer pour le papillon au mauvais goût peut aider le miam à devenir le repas d’un prédateur.
L’équipe de Nadeau a passé au peigne fin plus d’un million de bases d’ADN dans chacune des cinq espèces d’Heliconius. Parmi elles se trouvait H. erato favorinus. Les scientifiques ont trouvé 108 SNP chez chaque membre de cette espèce qui avait une bande jaune sur ses ailes postérieures. La plupart de ces SNP se trouvaient dans les introns du gène cortex ou en dehors de ce gène. Les papillons sans la bande jaune ne présentaient pas ces SNP.

On a trouvé d’autres modifications de l’ADN autour du gène cortex qui conduisent à des barres jaunes sur les ailes d’autres espèces d’Heliconius également. Cela suggère que l’évolution a agi plusieurs fois sur le gène cortex pour stripper les ailes des insectes.

La recherche d’une preuve de ce que font les « gènes sauteurs »

La découverte que le même gène influence les motifs des ailes chez les papillons et les mites montre que certains gènes peuvent être des points chauds de la sélection naturelle, dit Robert Reed. Il est biologiste de l’évolution à l’Université Cornell à Ithaca, N.Y.

Aucune des différences de gènes chez les papillons ou les mites poivrées n’a modifié le gène cortex lui-même. Cela signifie qu’il est possible que le gène de saut et les SNP ne fassent rien au gène. Les changements pourraient simplement contrôler un gène différent. Mais la preuve que le cortex est vraiment le gène sur lequel la sélection naturelle a agi est forte, dit Reed. « Je serais surpris qu’ils se trompent ».

Pour autant, il n’est pas évident de savoir comment le gène cortex pourrait modifier les motifs des ailes, déclare Saccheri. Il note que les deux équipes de recherche sont « tout aussi perplexes sur la façon dont il fait ce qu’il semble faire ».

Les ailes des mites et des papillons sont recouvertes d’écailles colorées. Les équipes ont la preuve que le gène cortex aide à déterminer quand certaines écailles de l’aile poussent. Et chez les papillons et les mites, le moment du développement des écailles de l’aile affecte leurs couleurs, dit Reed. « Vous voyez les couleurs surgir presque comme une peinture par numéros. »

Les écailles jaunes, blanches et rouges se développent en premier. Les écailles noires viennent plus tard. On sait que le cortex est également impliqué dans la croissance cellulaire. Ainsi, l’ajustement des niveaux de la protéine qu’il fabrique peut accélérer la croissance des écailles d’ailes. Et cela peut provoquer la coloration des écailles. Ou cela peut ralentir leur croissance, leur permettant de devenir noires, spéculent les chercheurs.

Les SNP, bien sûr, peuvent modifier les gènes peuvent affecter la coloration chez d’autres organismes, y compris les personnes.

Mais le grand message à retenir de tous ces travaux, disent les scientifiques, est la façon dont un simple changement dans un seul gène peut faire une différence dans l’apparence – et parfois la survie – d’une espèce lorsque les conditions changent.

Recherche de mots (cliquez ici pour agrandir pour imprimer)

.