Le premier gène déterminant le sexe des mammifères est apparu il y a 180 millions d’années

Chez les êtres humains, comme chez tous les mammifères, la différence entre les sexes tient à un seul élément du génome: le chromosome Y. Seuls les mâles le possèdent, puisque leurs deux chromosomes sexuels sont X et Y, alors que ceux des femmes sont XX. C'est donc cet Y qui est à l'origine des différences morphologiques et physiologiques qui distinguent les individus masculins et féminins.

Cela n'a pas toujours été le cas. Dans un très lointain passé, les chromosomes X et Y étaient tout à fait semblables. Puis, à un moment donné de l'histoire de la vie, le chromosome mâle s'est distingué de son équivalent femelle; il a ensuite progressivement rapetissé au point qu'il ne compte plus aujourd'hui qu'une vingtaine de gènes (contre un millier pour le X). A quel moment la différenciation s'est-elle produite? C'est à cette question que vient de répondre l'équipe d'Henrik Kaessmann, professeur associé au Centre intégratif de génomique (GIG) de l'UNIL et directeur de groupe au SIB Institut Suisse de Bioinformatique, en collaboration avec des chercheurs australiens. Elle a établi que les premiers «gènes du sexe» sont apparus de manière quasiment concomitante chez tous les mammifères il y a environ 180 millions d'années.

4,3 milliards de séquences génétiques

Disposant d'échantillons de plusieurs tissus de mâles – notamment de testicules - de diverses espèces, les chercheurs ont réussi à récupérer les gènes du chromosome Y des trois grandes lignées de mammifères: les placentaires (dont font partie les humains, les singes, les rongeurs et les éléphants), les marsupiaux (tels l'opossum et les kangourous) et les monotrèmes (qui sont à la fois mammifères et ovipares comme l'ornithorynque et l'echidna, sorte de porc-épic australien). Au total, ils disposaient d'échantillons d'organes sexuels de 15 espèces de mammifères représentatives de ces trois branches, auxquelles ils ont ajouté le poulet, à titre de comparaison.

L'echidna, un mammifère australien ovipare.

Plutôt que de séquencer tous les chromosomes Y, ce qui aurait été «une tâche colossale» selon Diego Cortez, chercheur au CIG et au SIB et principal auteur de cette étude, les scientifiques ont «utilisé un raccourci». Au sein de chaque espèce, ils ont comparé les séquences génétiques provenant de tissus de mâles et de femelles et soustraitent toutes les séquences qu'ils avaient en commun. Ne restaient donc plus que celles correspondant au chromosome Y. Ils sont parvenus ainsi à établir les plus grand atlas de gènes de ce chromosome « mâle ».

Cette étude a nécessité plus de 29.500 heures de calcul! Cet énorme travail n'aurait pas pu être mené à bien sans d'importants moyens techniques: les séquenceurs d'ADN à haut débit de la plateforme génomique du CIG pour obtenir les séquences génétiques et, pour les analyser, les gros moyens de calcul de Vital-IT, le centre de compétence et de calcul haute performance du SIB.

Deux gènes du sexe indépendants

Il ressort de cette étude qu'un même gène (nommé SRY - de l'anglais Sex-determining Region of Y chromosome), qui détermine le sexe à la fois chez les placentaires et les marsupiaux, s'est formé chez l'ancêtre commun à ces deux lignées qui vivait il y a environ 180 millions d'années. Quant au gène AMHY, pour Y-linked Anti-Mullerian Hormone gene (hormone de régression müllérienne du chromosome Y), qui est à l'origine du développement des chromosomes Y chez les monotrèmes, il est apparu il y a 175 millions d'années. Ces deux gènes, qui sont «impliqués dans le développement des testicules» selon Henrik Kaessmann, ont donc émergé «à peu près à la même époque, mais de manière complètement indépendante».

Reste à savoir comment les choses se passaient avant, notamment chez l'ancêtre commun à toutes les espèces de mammifères. Puisque le chromosome mâle était inexistant, qu'est-ce qui faisait alors qu'un individu naissait mâle ou femelle? S'agissait-il de facteurs liés à l'environnement, comme la température ? Cela n'est pas impossible puisque c'est toujours de cette manière que cela se passe chez les crocodiles. Pour les mammifères, «la question reste ouverte», conclut Diego Cortez.

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Evolution du chromosome Y

Les chromosomes X et Y dérivent de chromosomes reptiliens (les protochromosomes X et Y) qui sont apparus il y a 300 millions d'années. Un des gènes a muté et est devenu le gène SRY. Le chromosome Y étant isolé, il ne peut plus bénéficier de réparation au cours de la mitose, à la différence du chromosome X, et il en résulte une perte progressive du matériel génétique entraînant une réduction importante de sa taille.

–300 millions d'années

Chez un ancêtre commun à tous les mammifères, la mutation d'un gène (SOX3) a créé un nouveau gène (SRY) qui détermine les caractères du sexe mâle. SRY est apparu sur un des chromosomes d'une paire d'autosomes (chromosomes non sexuels). À l'époque, les animaux ne possédaient que ces chromosomes autosomes. Ils étaient soit hermaphrodites, soit leur sexe était déterminé par des facteurs de l'environnement (ainsi chez le crocodile, le sexe dépend de la température). Le chromosome de la paire d'autosomes qui incorpore le gène SRY devient l'ancêtre du chromosome Y ou proto-Y. L'autre chromosome de la même paire est l'ancêtre du chromosome X ou proto-X.

De –300 à –180 millions d'années

L'acquisition du gène SRY entraîne l'accumulation progressive de gènes bénéfiques pour le proto-Y. Il diverge de plus en plus du proto-X. Vers –180 Ma, devenus trop différents, X et Y cessent de se recombiner chez les mammifères placentaires.

De –180 à –25 millions d'années

A présent isolé, le chromosome Y ne peut plus bénéficier, à la différence du chromosome X, de réparation au cours de la mitose. Il perd ainsi une bonne partie de son matériel génétique, ce qui entraîne une réduction de sa taille. Le X est préservé car, chez les femelles, les deux chromosomes X peuvent se recombiner, donc s'autoréparer entre eux.

Depuis 25 millions d'années

Selon David Page (Massachusetts Institute of Technology), le chromosome Y aurait cessé de dégénérer, il n'aurait perdu qu'un seul gène. Aujourd'hui,le chromosome Y humain a perdu 97 % de ses gènes ancestraux. Ceux qui subsistent interviennent dans la formation des testicules et la production du sperme.