Le chromosome Y Humain, portraits croisés

Auteurs : Françoise Ibarrondo, Gilles Camus


Table des matières

  1. Introduction
  2. Le chromosome Y humain à la lumière de la génétique
    1. Les régions pseudoautosomales ou PARs
    2. La région située entre les deux PARs
  3. Le chromosome Y humain à la lumière de la phylogénétique
    1. Une origine autosomale
    2. Des inversions, des transpositions
  4. Le chromosome Y humain à la lumière du séquençage
    1. Les séquences de l'Y
    2. Amplicons et palindromes
  5. Conclusion
  6. Bibliographie

1. Introduction

Contrairement aux autres chromosomes, dits autosomes, dont chaque paire est formée de chromosomes homologues et de même taille, les chromosomes sexuels sont souvent de taille différente : par exemple un grand X et un petit compagnon Y chez l'Homme, comme chez beaucoup de Mammifères.

Figure 1 : La paire de chromosomes sexuels humains
Paire de chromosomes sexuels humains vus en microscopie électronique à balayage
Vue prise au microscope électronique à balayage.
Source : Nature (2003) 423 : 810-812.

Le portrait de l'Y humain s'est largement précisé à la lumière de la génétique, de la phylogénétique et du séquençage (voir refs. 1, 2 et 3).

2. Le chromosome Y humain à la lumière de la génétique

L'Y humain mesure 1/3 de la taille de l'X et contient environ 10 fois moins de gènes .

Figure 2 : Schéma du chromosome Y humain
Schéma du chromosome Y humain

Il peut être divisé en deux types de régions :

2.1. Les régions pseudoautosomales ou PARs

Situées aux deux extrémités de l'Y, elles couvrent 5% de sa longueur. Représentées également sur les deux extrémités de l'X, elles permettent l'appariement de ces deux partenaires lors de la première phase de la méiose, au cours de laquelle a lieu le processus de recombinaison homologue, gage de brassage génétique et de réparation de l'ADN.

Dans ces deux régions l'X et l'Y ne divergent pas, les mêmes 29 gènes codant des chaînes polypeptidiques y sont représentés.

2.2. La région située entre les deux PARs

Elle représente 95% de la longueur de l'Y, dont sur le grand bras une large part d'hétérochromatine compacte, très riche en séquences répétées, et considérée jusqu'ici comme inerte. Pour le reste, elle contient 78 gènes codant des chaînes polypeptidiques. Parmi ceux-ci, certains codent des chaînes polypeptidiques que l'on trouve exprimées chez les femmes, preuve qu'il existe d'autres zones d'homologie entre l'X et l'Y que les PARs. A l'inverse, d'autres gènes n'existent que sur l'Y, parmi lesquels le gène SRY (sex determining region Y) qui joue un rôle central.

Car avec l'équipement chosomosique XX vous êtes femme, et avec XY vous êtes homme : telle est la règle habituelle. Mais la situation peut passablement se compliquer en cas d'anomalies chromosomiques : ainsi vous êtes homme si vous êtes porteur de l'anomalie chromosomique XXY (l'une des anomalies génétiques les plus fréquentes avec une moyenne de une fois sur 500 à 1000 naissances d'enfants de sexe masculin)... et femme parfois bien qu'étant XY (par absence du gène SRY [Y non virilisant] ou absence du gène du récepteur à la testostérone [porté par le chromosome X])... ou bien homme en étant XX (gène SRY présent sur le chromosome X par anomalie de recombinaison)...

Signalons toutefois que les porteurs de telles anomalies chromosomiques ont souvent des désordres plus ou moins importants. Ainsi, la majorité des porteurs de XXY développent le syndrome de Klinefelter (stérilité, faible production de testostérone, faible pilosité, développement de seins vers 50 ans, etc...). Les femmes XY liées à un Y non virilisant n'ont pas d'anomalie visible mais des ovaires incomplètement développés, celles liées à l'absence de récepteur à la testostérone ayant des testicules intra-abdominaux. Les hommes XX développent le syndrome de Klinefelter.

En réalité tout repose sur la présence ou non du gène SRY. Ce dernier a été localisé en 1990 sur le petit bras de l'Y, juste à proximité de la région pseudo-autosomale. La protéine qu'il code a pour effet de masculiniser en testicules les gonades jusque là indifférenciées du jeune embryon. Les testicules formés, par l'intermédiaire de la testostérone qu'ils sécrètent, contrôlent la mise en place des caractères sexuels secondaires masculins et la formation du sperme.

Pour autant, le sexe femelle n'est pas le résultat d'un programme par défaut puisque plusieurs gènes sont nécessaires à la mise en place des caractères sexuels féminins, dont le gène DAX1 situé sur l'X. Chez le mâle, ce dernier est d'ailleurs inhibé par la présence du gène SRY.

En fait, et d'une façon générale, le déterminisme sexuel chez les êtres vivants est varié :

  • contrairement aux animaux, les plantes à fleurs sont pour la plupart hermaphrodites;
  • chez la drosophile, les femelles sont également XX et les mâles XY, mais le sexe mâle provient de l'absence d'un autre X et non de la présence d'un Y;
  • chez les serpents, les oiseaux, les papillons, la situation est inversée (ZW chez les femelles, ZZ chez les mâles) sans que l'on sache si c'est la présence du W qui détermine le sexe femelle ou la duplication du Z qui produit le sexe mâle;
  • quant aux tortues, aux crocodiles, ils ne possèdent pas de chromosomes sexuels, et c'est la température à laquelle se développent leurs oeufs qui oriente l'embryon vers le sexe mâle ou femelle...

3. Le chromosome Y humain à la lumière de la phylogénèse

Un arbre phylogénétique du chromosome Y a pu être établi en comparant la séquence de quelques gènes homologues présents sur l'X et sur l'Y de différentes espèces actuelles. La connaissance, par les archives fossiles, de leurs plus anciens ancêtres communs a permis de disposer de jalons à même d'ordonner dans le temps les différents accidents dont leurs chromosomes sexuels ont été l'objet.

3.1. Une origine autosomale

Les chromosomes sexuels furent d'abord une paire d'autosomes tout à fait ordinaires d'environ un millier de gènes, quand, il y a environ 300 millions d'années (Ma), une mutation dans le gène SOX3 produisit le gène SRY. Le proto-Y naissait alors, tandis que son partenaire toujours porteur de SOX3 devenait le proto-X. Les ancêtres des marsupiaux monotrèmes pondeurs d'oeufs (représentés aujourd'hui par exemple par l'Ornithorynque) sont les premiers Mammifères à avoir acquis le gène SRY sur leur proto-Y.

3.2. Des inversions, des transpositions

Puis ces chromosomes ont été le siège d'une succession d'accidents:

  • des inversions se sont concentrées sur l'Y, en dehors des extrémités (qui deviendront des PARs), empêchant dans ces régions les chromosomes X et Y de s'apparier, de se recombiner et donc de se réparer. Si la pression de sélection a conduit à la conservation de SRY (qui n'est pas sur les PARs), à l'inverse beaucoup de gènes sont devenus ainsi non fonctionnels (pseudogènes) ou se sont même perdus.
  • des transpositions de fragments d'autosomes se sont produites il y a 130Ma à la fois sur l'X et sur l'Y, qui ont rallongé ces chromosomes leur permettant à nouveau de se réparer partiellement.
  • elles ont été suivies d'inversions sur l'Y qui le rognaient derechef.
  • enfin, il y a 30Ma une expansion autosomale sur le seul Y lui a apporté le gène DAZ, gène dont la délétion provoque l'azoospermie.

Au terme de ces tribulations l'Y se ratatine, passant par exemple chez l'Homme de un millier à environ 100 gènes. D'aucuns allèrent même jusqu'à pronostiquer sa disparition totale d'ici 10Ma...

4. Le chromosome Y humain à la lumière du séquençage

L'analyse a progressé magistralement quand, en juin 2003, David Page et ses 39 collaborateurs du Massachussets Institute of Technology (USA) ont présenté la séquence de presque toute l'euchromatine d'un Y humain, comparée à celles de quelques fragments équivalents du Chimpanzé, du Bonobo et du Gorille, lesquels ont divergé de la lignée humaine il y a environ 6 millions d'années. (voir refs 1 et 4).

Ce travail est notamment venu à bout de la grande richesse en séquences répétées de cette euchromatine (1 million de répétitions Alu par exemple!) Pour un rappel sur les méthodes de séquençage, voir "Le séquençage de l'ADN".

4.1. Les séquences de l'Y

L'euchromatine de l'Y comprend trois types de séquences qui renseignent sur ce que fut l'évolution de ce chromosome et sur les fonctions qui sont les siennes aujourd'hui (voir fig. 3) :

Figure 3 : Carte du chromosome Y
Carte du chromosome Y
Cliquer sur l'image pour afficher une version agrandie
Source : Adapté d'une figure de la ref. 1.
  • des séquences de l'X largement dégénérées, reliques des autosomes dont l'X et l'Y ont dérivé; elles comprennent encore 16 gènes fonctionnels qui s'expriment dans toutes les cellules des deux sexes,
  • des séquences transposées récemment de l'X, il y a 3 à 4Ma, donc après la divergence de l'Homme et des Gorille, Chimpanzé, Bonobo; elles comprennent 2 gènes fonctionnels.
  • des séquences acquises de diverses sources, puis amplifiées et pour cette raison nommées amplicons qui contiennent 60 gènes fonctionnels dont l'expression est restreinte au testicule.

Et ce sont ces amplicons, que seul le travail de séquençage permettait de discerner, qui ont changé du tout au tout l'idée que l'on se faisait des capacités qu'a l'Y de se réparer.

4.2. Amplicons et palindromes

Les amplicons ont pour caractéristique de contenir deux ou quelques copies de gènes très homologues nécessaires à la fertilité mâle.

Ils sont bordés de séquences en miroir dont les deux éléments rassemblés constituent un palindrome, c'est à dire une séquence d'ADN qui se lit de la même façon dans les deux sens par rapport à un point central - exemple: deux séquences rencontrées successivement, GGTAC, puis CATGG, qui ensemble constituent le palindrome GGTAC.CATGG.

Le repliement l'une vers l'autre des deux séquences du palindrome produit une boucle qui met face à face les copies de gènes très homologues de l'amplicon, dont l'une peut être mutée et l'autre pas.

Les échanges de séquences selon le mécanisme de conversion transforment la version mutée en sa version non mutée, à l'intérieur même du Y donc, sans recours à la recombinaison homologue.

Bien sûr, peut à l'inverse se produire la conversion du gène non muté en son équivalent muté; mais on présage que cette double mutation court fort le risque d'être éliminée par sélection.

L'avenir du chromosome Y humain n'est donc, pour l'instant, pas si sombre que le prédisaient certains! Pas plus d'ailleurs que celui des Gorille, Chimpanzé et Bonobo chez qui des palindromes-amplicons similaires sont également à l'oeuvre - l'hypothèse la plus simple étant donc d'estimer que ces ensembles sont apparus avant la divergence des lignées humaine et simienne (ref. 5).

5. Conclusion

L'histoire de l'Y humain, porteur notamment du gène SRY déterminant le sexe mâle, n'est pas de tout repos:

En 300 millions d'années, il a perdu les deux tiers de sa taille; les inversions qu'il a connues à plusieurs reprises lui ont permis de garder le gène SRY sans le céder à son compagnon X, mais elles ont empêché en même temps de réparer maintes mutations sur d'autres portions de l'Y qui, dégénérant, ont été perdues, contribuant ainsi à le faire rétrécir (même si des transpositions autosomales ou provenant de l'X l'ont parfois un peu rallongé).

Mais malgré ce parcours mouvementé, le chromosome Y humain a fait la preuve de sa résistance: celle-ci est due à l'existence de palindromes-amplicons qui lui donnent la possibilité de corriger "en interne" les mutations qui affectent la fertilité mâle.

Résistance encore plus forte qu'on ne le pensait: le groupe de David Page a montré, en septembre 2005, que les gènes situés en dehors de ces zones résistaient mieux aux mutations chez l'Homme que chez le Chimpanzé (ref 6).

L'avenir de l'Y humain est-il assuré pour autant? Le campagnol-taupe d'Arménie Ellobius lutescens nous enseigne que non, lui qui a perdu son Y et son gène SRY. Mâles et femelles devenus XO (le zéro indique l'absence de X ou de Y), sont pourtant parfaitement viables : chez le mâle, un autre gène, sur un autre chromosome, a dû prendre la relève de SRY ou de l'un des gènes sous sa commande.

L'histoire de l'Y n'est pas celle d'un long fleuve tranquille.

6. Bibliographie

  1. Le chromosome Y humain Charmot-bensimon D. et Dudley K. Documents de cours (2005-2006) du Master BBSG de l'Université de la Méditerranée Aix-Marseille II .
  2. Sex chromosomes Kimball J.
  3. La femme est l'avenir de l'homme. La Recherche juillet 2004.
  4. The male-specific region of the human Y chromosome is a mosaic of discrete sequence classes. Skaletsky et coll. (2003) Nature 423(6942):825-837.
  5. Abundant gene conversion between arms of palindromes in human and ape Y chromosomes. Rozen S. et coll. (2003) Nature 423(6942):873-876.
  6. Conservation of Y-linked genes during human evolution revealed by comparative sequencing in chimpanzee. Hughes J.F. et coll. Nature (2005) 437(7055):100-103.

Merci aux membres du laboratoire Biologie et Multimédia pour leur relecture et commentaires.

Thèmes scientifiques

Pour citer cet article

Le chromosome Y Humain, portraits croisés, Planet-Vie, Mardi 19 septembre 2006, http://planet-vie.ens.fr/content/chromosome-y-humain, voir