Évolution moléculaire des hémoglobines et des cytochromes ; quelques conceptions actuelles sur l'écologie et l'évolution moléculaires humaines

L'étude de l'évolution moléculaire des cytochromes et des hémoglobines permet de dégager les points suivants : 1. — II existe une possibilité de perfectionnement de l'étude de la dynamique conformationnelle des hémoglobines et des cytochromes par recon- naissance, en biochimie comparée, des séquences polypeptidiques stables ne tolérant pas de mutation. Ces zones actives sont très stables pour les cytochromes et ont peu varié au cours de l'évolution, alors que les systèmes géniques des chaînes a, p, y et î des hémoglobines sont relativement plus tolérants. Les molécules fonctionnelles les plus tolérantes étant les fibrinopeptides. 2. — L'étude des cytochromes et particulièrement celle du cytochrome G permet, au-delà des lignées des primates, de reconstituer l'histoire évolutive bien avant la séparation du règne animal et du règne végétal. De telles méthodes doivent permettre de donner un jour, comme le souligne Dickerson, des dates précises à des événements aussi lointains que la séparation des plantes et des animaux, l'origine des cellules nucléées, ou même à des dichotomies encore plus anciennes de l'histoire de la vie. 3. — Pour des molécules comme les globines, moins anciennes que les cytochromes, on peut établir que les gènes qui conditionnent les hémoglobines humaines actuelles ont environ 950 millions d'années. L'analyse moléculaire comparative permet de retracer, à partir de globines ancestrales dont la myoglobine actuelle peut donner une image, l'évolution des différentes chaînes polypeptidiques : — les gènes conditionnant les chaînes a et p des hémoglobines actuelles ont entre 500 et 600 millions d'années ; — ceux qui déterminent les chaînes $ sont plus récentes, leur âge ne doit pas dépasser 200 millions d'années ; — l'individualisation des chaînes 5 probablement à partir des chaînes β est bien postérieure à la séparation des primates. 4. — L'étude immunologique et immunoélectrophorétique permet actuellement, pour d'autres systèmes géniques, de compléter l'individualisation du génome humain et de situer l'ancienneté de ces systèmes géniques par rapport à l'hominisation : — les gènes des systèmes ABO et MN précèdent l'hominisation ; — ceux des systèmes rhésus, fortement polyalléliques, sont contemporains de l'hominisation ; — les systèmes géniques définis par l'électrophorèse (immunoglobines ; systèmes Gm et Inv) ont connu un plein épanouissement au moment de la raciation et constituent, de ce fait, des gènes marqueurs raciaux; — les gènes qui déterminent les hémoglobinoses HbS et HbE sont encore plus récents, puisqu'ils recouvrent seulement des fragments de races. 5. — L'étude de cette évolution, vue à travers l'évolution moléculaire, nous a permis de mettre en évidence le phénomène de « l'AMPLIFICATION ECOLOGIQUE » de l'effet des gènes mutés, particulièrement net pour les différentes chaînes hémoglobiniques. Les conditions écologiques internes ou externes sélectionnent la « transition allostérique » qui est la plus favorable. 6. — Les phénomènes de dédoublement des systèmes géniques, suivis de mutation (phénomène de « dédoublement mutation »), particulièrement évidents pour les systèmes géniques des globines sont susceptibles de fournir de nombreux gènes à forte potentialité adaptative. Les gènes des chaînes a et p en sont l'illustration. 7. — L'amplification écologique peut se manifester dans l'ensemble de la lignée animale, y compris l'espèce humaine, par l'élaboration d'ECOPROTEINES (chaînes α2γ2 et α2δ2). Ces protéines, qui sont des protéines nouvelles ou pré-existantes, représentent vraisemblablement un processus d'adaptation moléculaire physiologique sous forme de « feed-back écologique » (5). L'originalité de cette systématisation peut venir de leur comportement allostêrique particulier ; c'est le cas probablement des chaînes α2δ2 α2γ2 des protéines fœtales dont la réponse au facteur oxygène est très forte. En dehors des hémoglobines, les écoprotéines représentent peut-être, dans certains cas, des effecteurs allostériques (5) dont les accrochages sur les sites allostériques sont ECODEPENDANTS. 8. — Dans la perspective d'amplification écologique et écophysiologique de l'effet des gènes, nous attirons l'attention sur l'importance de processus mutationnels dans l'évolution générale et au niveau des primates (fusion robertsonienne, dédoublement-mutation, amplification génique, rectification génique). Ces phénomènes, associés à l'amplification écologique par effet de sélection sur les transitions allostériques, permettent de mieux comprendre les accélérations évolutives apparentes au cours de l'évolution — et de l'hominisation en particulier — même si les « taux de mutations » ou de « variations aléatoires sans causes » restent constants.Summary The study of the molecular evolution of cytochromes and haemoglobins permits to set forth the following points : 1. — It is possible to improve the study of the haemoglobin and cytochrome conformational dynamics by analysing, in comparative biochemistry, stable polypeptidic sequences which do not admit mutation. These active zones are quite stable as far as cytochromes are concerned and have little varied in the course of evolution whereas the genie systems of a, (3, y an(^ S chains of haemoglobins are comparatively more tolerant. The most tolerant functional molecules being fibrinopeptides. 2. — The study of cytochromes and more particularly of the С cytochrome permits to reconstruct molecular evolution history, much before the existence of primates, before the moment when the animal kingdom and the vegetal one became distinct. Such methods are likely to give one day, as Dickerson says, precise dates for events as remote as the separation of plants and animals, the origin of nucleate cells or even remote separations in life history. 3. — As for molecules such as globins, less ancient than cytochromes, one can say that the genes giving present human haemoglobins are about 950 million years old. Comparative molecular analysis permits to follow the evolution of the different polypeptidic chains from most ancient globins the present myoglobin can give an image of : — the genes giving the α and β chains of the present haemoglobins are about 500 to 600 years old ; — the genes giving the γ chains are more recent. They are no more than 200 million years old ; — the individualization of δ chains probably from β chains come far later the primates got separate. 4. — The immunological and immunoelectrophoretical study permits today — as far as other genie systems are concerned — to complete the individualization of human genome history and to give precisions about how old such genie systems are, in reference to hominisation : — the genes of ABO and MN systems appeared before hominisation ; — the genes of rhesus systems, strongly polyallelic, are contemporary with hominisation ; — genie systems defined by electrophoresis (immunoglobins, Gm and Inv systems) were at their best at the moment when races appeared. Therefore they constitute racial marking genes. — The genes which determine the abnormal HbS and HbE haemoglobins are still more recent since they cover only fragments of races. 5. — The study of this genie evolution seen through the molecular one has permitted us to set forth what we call « ECOLOGICAL MAGNIFICATION » given by mutated genes — which is particularly evident for the different haemoglobin chains. The inner or outer ecological conditions select the most convenient « allosteric transition ». 6. — The duplication of one gene on the same chromosome which is particulary evident for the genie systems of the globins is able to give numerous genes with strong adaptative potentiality. The genes of α and β chains illustrate what has just been said. 7. — Such ecological magnification can be noticed throughout animal world including human species with the appearance of « ECOPROTEINS » (α2γ2 and α2δ2 chains). These proteins which are new or pre-existing ones are likely to represent a process of physiological molecular adaptation, « an ecological feed-back ». The originality of ecoproteins derives from their allosteric function which is particular. That is probably the case for the globinical a2d2 and aoyo chains of fœtus proteins strongly responding to the oxygen factor. Besides haemoglobins, ecoproteins may represent, in some cases, allosteric effectors whose connections with allosteric locations depend on the environment, that is to say are « ecodependent » (ecoproteins are ecodependent proteins). 8. — We insist upon the importance of different types of mutations (Robertson fusion, duplication of one gene on the same chromosome, genie magnification, genie Testification). These facts associated with ecological magnification which takes place particularly when the best allosteric molecular transitions are selected permit to get a closer view upon the apparent evolutive accelerations in the course of evolution and upon hominisation in particular — even if « mutation rates » remain constant.Marty R., Boudou A. Évolution moléculaire des hémoglobines et des cytochromes ; quelques conceptions actuelles sur l'écologie et l'évolution moléculaires humaines. In: Bulletins et Mémoires de la Société d'anthropologie de Paris, XIII° Série. Tome 1 fascicule 3, 1974. pp. 317-334