L’effort de six ans a impliqué un consortium international de chercheurs et constitue la première séquence complète du génome d’une espèce de ruminant. Les ruminants se distinguent par le fait qu’ils ont un estomac à quatre chambres qui, à l’aide d’une multitude de microbes résidents, leur permet de digérer un fourrage de mauvaise qualité comme l’herbe.
Le génome bovin se compose d’au moins 22 000 gènes codant des protéines et ressemble plus à celui des humains qu’aux génomes de souris ou de rats, rapportent les chercheurs. Cependant, le génome du bétail semble avoir été considérablement réorganisé depuis que sa lignée a divergé de celles d’autres mammifères, a déclaré Harris Lewin, professeur de sciences animales à l’Université de l’Illinois, dont le laboratoire a créé la carte physique à haute résolution des chromosomes bovins qui a été utilisée pour aligner la séquence. Lewin, qui dirige l’Institut de biologie génomique, a également dirigé deux équipes de chercheurs sur le projet de séquençage et est l’auteur d’un article de perspective dans Science sur la séquence du génome bovin et d’une étude complémentaire du Consortium du génome bovin et de l’analyse.
« Parmi les mammifères, les bovins ont l’un des génomes les plus réarrangés », a déclaré Lewin. « Ils semblent avoir plus de translocations et d’inversions (de fragments de chromosomes) que d’autres mammifères, tels que les chats et même les porcs, qui sont étroitement liés aux bovins.
« L’humain est en fait un génome très conservé par rapport au génome ancestral de tous les mammifères placentaires, quand on regarde son organisation globale. »
La séquence des 29 paires de chromosomes de la vache et de son chromosome X (le chromosome Y n’a pas été étudié) fournit également de nouvelles informations sur l’évolution bovine et les traits uniques qui rendent le bétail utile aux humains, a déclaré Lewin.
Par exemple, le professeur de recherche en sciences animales de l’Illinois Denis Larkin a effectué une analyse des régions chromosomiques sujettes à la rupture lorsqu’une cellule réplique son génome en vue de la création de spermatozoïdes et d’ovules. Il a montré que dans le génome du bétail, ces régions de point de rupture sont riches en séquences répétitives et en duplications segmentaires et comprennent des variations spécifiques des gènes associés à la lactation et à la réponse immunitaire.
Une étude précédente du laboratoire de Lewin publiée ce mois-ci dans Genome Research a montré que les régions de point de rupture des chromosomes de nombreuses espèces sont riches en gènes dupliqués et que les fonctions des gènes trouvés dans ces régions diffèrent considérablement de celles présentes ailleurs dans les chromosomes.
Ces répétitions et duplications segmentaires se produisent au moyen de nombreux mécanismes différents, dont l’un implique des insertions sporadiques et répétées de courts morceaux de matériel génétique, appelés rétroposons, dans le génome.
« Le génome de la vache comporte de nombreux types de répétitions qui s’accumulent avec le temps », a déclaré Lewin. « Et l’une des choses que nous avons trouvées est que les nouveaux explosent là où se trouvent les anciens dans les régions de point d’arrêt et les séparent. C’est la première fois que ça se voit. »
« Les répétitions font beaucoup de choses », a-t-il déclaré. « Ils peuvent changer la régulation des gènes. Ils peuvent rendre les chromosomes instables et les rendre plus susceptibles de se recombiner avec d’autres morceaux de chromosomes de manière inappropriée. »
Lewin appelle les régions de point d’arrêt « points chauds de l’évolution du génome. »
Une autre analyse menée par Lewin, une étude des gènes métaboliques réalisée par Seongwon Seo, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Lewin et maintenant professeur à l’Université nationale de Chungnam en Corée du Sud, a révélé que cinq des 1 032 gènes consacrés aux fonctions métaboliques chez l’homme sont absents du génome du bétail ou ont radicalement divergé. Cela suggère que les bovins ont des voies métaboliques uniques, a déclaré Lewin.
Ces différences dans le métabolisme, ainsi que les changements dans les gènes consacrés à la reproduction, à la lactation et à l’immunité sont une grande partie de « ce qui fait d’une vache une vache », a déclaré Lewin.
Par exemple, l’un des gènes modifiés, l’histathérine, produit une protéine dans le lait de vache qui a des propriétés antimicrobiennes. Les chercheurs ont également trouvé plusieurs copies d’un gène d’une protéine importante du lait, la caséine, dans une région de point d’arrêt de l’un des chromosomes.
« Avoir la séquence du génome est maintenant la fenêtre pour comprendre comment ces changements se sont produits, comment les ruminants se sont retrouvés avec un estomac à quatre chambres au lieu d’un, comment le système immunitaire de la vache fonctionne et comment il est capable de sécréter de grandes quantités de protéines dans son lait », a déclaré Lewin.
Le projet de séquençage et l’analyse ont été coordonnés par Richard Gibbs et George Weinstock, du Baylor College of Medicine; Chris Elsik, de l’Université de Georgetown; et Ross Tellam, de la Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization of Australia (CSIRO). Lawrence Schook, professeur de sciences animales à l’Université de l’Illinois, faisait partie de l’équipe qui a rédigé le livre blanc du projet de séquençage, qui a joué un rôle déterminant dans l’obtention du financement de l’initiative.
Le financement du projet de séquençage du génome des bovins a été fourni par un groupe international composé de l’Institut National de Recherche sur le génome Humain des Instituts Nationaux de la Santé; du Service de recherche de l’USDA; d’une subvention spéciale de l’Initiative Nationale de Recherche du Service Coopératif de Recherche, d’Éducation et de Vulgarisation de l’USDA (CSREES); de l’État du Texas; Génome Canada par l’entremise de Genome British Columbia; l’Alberta Science and Research Authority; CSIRO; Agritech Investments Ltd., Nouvelle-Zélande; Dairy Insight Inc., Nouvelle-Zélande; AgResearch Ltd., la Nouvelle-Zélande; le Conseil de recherche de Norvège; la Fondation Kleberg; et les Fonds de contrôle du bœuf national, du Texas et du Dakota du Sud.
Le travail dans l’Illinois a été réalisé avec un financement de l’Initiative nationale de recherche de l’USDA CSREES et une Subvention spéciale de l’USDA-CSREES pour l’Initiative de séquençage du génome du bétail.
Parallèlement aux articles scientifiques, les chercheurs ont publié 20 rapports complémentaires décrivant des analyses plus détaillées de la séquence du génome des bovins domestiques dans des revues de l’éditeur en libre accès BioMed Central. Tous les articles sont accessibles librement au http://www.biomedcentral.com/series/bovine.