L'étude expérimentale a permis d'extraire la myosine qui intervient dans la contraction des fibres musculaires squelettiques mais d'autres myosines sont impliquées dans des fonctions cellulaires différentes et variées : déplacement (extension de pseudopodes...), endocytose, exocytose, trafic intracellulaire d'ARN ou d'organites (voir TP cyclose dans la cellule d'une Characée)...Actuellement les spécialistes distinguent 18 classes de myosines.
Quelle que soit la fonction cellulaire à laquelle elle participe, la molécule de myosine intervient toujours comme un moteur moléculaire, associé à l'actine, qui convertit une partie de l'énergie chimique de l'ATP en énergie mécanique. Tous les eucaryotes semblent capables de synthétiser cette protéine, plusieurs isoformes étant en général identifiées directement ou indirectement (par l'analyse du génome) pour chacune des espèces. Ainsi, 5 gènes codant des myosines différentes sont connus chez la levure, 13 chez une amibe "sociale" Dictyostelium discoïdeum,15 chez la Drosophile, 39 chez l'homme...
Problématique
Quels sont les mécanismes responsables de la constitution et de l'évolution de la famille des gènes qui codent les myosines?
L'étude proposée ne porte que sur la chaîne lourde (MYHC) des myosines de classe II (15 gènes au total identifiés chez l'homme, 11 gènes étudiés ici), classe à laquelle appartient la myosine des muscles squelettiques. Quelques données concernant les myosines étudiées sont fournies : voir tableau.
Documents à obtenir

• Alignement des séquences protéiques
• Matrice des distances
• Arbre
• Loci des gènes

Exploitation des documents
- Les chaînes lourdes des myosines de l'homme: des protéines homologues
L'alignement montre que les séquences des 11 chaînes lourdes étudiées sont très proches les unes des autres, avec un grand nombre d'ac.aminés identiques, à la même place relative. Des portions de séquences sont entièrement conservées (voir par ex. TGESGAGKT ).Ces similitudes suggèrent que les gènes qui codent ces chaînes lourdes sont issus d'un gène ancestral commun hypothétique qui était présent chez un lointain ancêtre de l'homme. Les protéines sont homologues ainsi que les gènes qui les codent.
- Les gènes qui codent les chaînes lourdes des myosines: une famille multigénique
Ces gènes (MYHs) homologues sont présents dans le génome de l'homme (d'une espèce donnée), ils constituent une famille multigénique.
- La duplication des gènes à l'origine de la famille multigénique
Pour expliquer la présence d'une telle famille de gènes dans le génome de l'homme actuel, on envisage l'intervention, à partir d'un gène ancestral, de plusieurs duplications successives liées au hasard et survenues dans le génome de certains de ces ancêtres.
- Les mutations responsables de la différenciation des duplicatas
Si une duplication est retenue par l'évolution et se retrouve fixée dans une espèce (innovation évolutive), les duplicatas peuvent évoluer indépendamment (mutations) et se différencier. C'est ce processus impliquant duplications et mutations qui est responsable de la présence de la famille multigénique des gènes MYHs dans le génome de l'homme. On peut logiquement considérer que si 2 gènes de la famille présentent un % de différences faible (ex. MYH1 et MYH4) c'est qu'ils sont issus d'une duplication récente et inversement.
- L'arbre qui matérialise les duplications successives
Il est possible, à partir de la matrice des distances, de construire un arbre dont les noeuds correspondent aux duplications successives, la longueur des branches étant proportionnelle au nombre de mutations survenues et conservées (à nuancer car il s'agit ici des protéines) dans les 2 copies depuis la duplication.
- La localisation chromosomique des gènes
La cartographie chromosomique des gènes étudiés peut être fournie (voir tableau), mais elle peut aussi être établie par les élèves à partir d'informations disponibles dans les banques de données. La localisation des loci des gènes qui codent les MYHCs sarcomériques montre que ceux des myosines "rapides " et "développementales" (foetale et périnatale) sont regroupés en un ensemble de 6 gènes (cluster) sur le chromosome 17 alors que les gènes qui codent respectivement les myosines dites cardiaques a et b sont en tandem sur le chromosome 14 (voir document).
- La reconstitution partielle de l'histoire de la famille des gènes qui codent les myosines sarcomériques: un modèle
Il s'agit d'un exercice de synthèse conduisant les élèves à proposer un modèle logique qui établit une chronologie relative des évènements (duplications, transposition de gènes ...) qui sont à l'origine de la constitution et de l'évolution de la famille multigénique, réduite ici aux gènes qui codent les MYHCs sarcomériques. L'arbre (UPGMA) est construit à partir de la comparaison des séquences entières des MYHCs (environ 1940 ac.aminés), il est d'ailleurs un peu différent de celui qui a été utilisé précédemment (séquences réduites au domaine moteur) ...ce qui doit éveiller l'esprit critique des élèves.
Voir modèle proposé (qui peut être simplifié!).
Les innovations génétiques mises en évidence par le modèle sont difficiles à caler dans le temps par rapport aux grandes étapes de l'évolution. Quelques repères sont cependant à prendre en compte.
Les myosines de classe II sont très anciennes. Ainsi, Dictyostélium en possède une. Son groupe (Amoebozoaire), très ancien semble avoir divergé vers - 1,5 Ga au cours de l'évolution des Eucaryotes.. Il y en a également une chez la levure Saccharomyces cerevisiae, deux chez Drosophila melanogaster...Il y a déjà, chez les poissons Téléostéens des protéines homologues des MYHCs sarcomériques squelettiques et cardiaques trouvées chez les Mammifères ce qui signifie que la duplication qui a généré d'une part le gène ancestral des MYHCs sarcomériques squelettiques"développementales" et rapides et d'autre part le gène ancestral des myosines cardiaques a eu lieu avant la séparation (vers - 400 ma) des rameaux évolutifs qui ont conduit respectivement aux Mammifères et aux Téléostéens. L'organisation en cluster des 6 gènes présents sur le chromosome 17 de l'homme se retrouve chez la souris (cluster avec 6 gènes homologues de ceux de l'homme, dans le même ordre, sur le chromomosome 11). Cette disposition existait avant la séparation des 2 lignées (-75 ma /- 110 ma): les duplications à l'origine du cluster avaient déjà eu lieu. Son organisation physique est, depuis, conservée (fondamentale pour la régulation de l'expression des gènes) mais les gènes se sont différenciés (peu) par la survenue de mutations différentes dans l'une et l'autre lignée.