Un gène essentiel est un gène supposé crucial pour la survie de l'organisme qui le contient. Cependant, le fait d'être essentiel est largement dépendant des conditions dans lesquelles ledit organisme vit. Par exemple, un gène nécessaire à la digestion de l'amidon n'est essentiel seulement si l'amidon est la seule source d'énergie disponible. Ces derniers temps, des expériences méthodiques ont été conduites afin d'identifier ces gènes absolument nécessaires pour maintenir l'organisme en vie, pourvu que tous les nutriments soient disponibles. De telles expériences ont mené les chercheurs à conclure que le nombre absolu de gènes nécessaires pour la viabilité des bactéries était de l'ordre de 250-300. Ces gènes essentiels codent des protéines permettant la maintenance du métabolisme central, la réplication de l'ADN, la traduction des gènes en protéines, la maintenance d'une structure cellulaire basique et le contrôle des processus de transport vers l'intérieur et vers l'extérieur de la cellule. La plupart des gènes dans un organisme ne sont pas essentiels mais lui confèrent des avantages sélectifs et une meilleure fitness.
Bactéries : études à l'échelle du génome
Deux stratégies ont été mises en œuvre afin d'identifier les gènes essentiels à l'échelle du génome entier : la suppression ciblée de certains gènes et la mutagénèse aléatoire en utilisant des transposons. Dans le premier cas, des gènes individuels (ou cadres de lecture ouverts ou ORFs en anglais) sont complètement effacés du génome de façon systématique. Dans le cas de la mutagénèse, des transposons sont insérés de façon aléatoire dans le plus de positions possible dans le génome afin de désactiver les gènes ciblés (voir figure ci-dessous). Les mutants d'insertion qui sont encore capables de survivre ou de croître ne se situent pas dans des gènes essentiels. Un résumé des sélections issues de ces expériences est disponible dans le tableau ci-après. +Tableau 1. Gènes essentiels chez les bactéries.OrganismeMutagénèseMéthodeMesureORFsNon essentielsEssentiels% d'essentielsNotesRéférencesMycoplasma genitalium/pneumoniaeAléatoirePopulationSéquençage482130265-35055-73Mycoplasma genitaliumAléatoireClonesSéquençage48210038279b, cStaphylococcus aureus WCUH29AléatoireClonesSéquençage2 600n/d168n/db, cStaphylococcus aureus RNA4220AléatoireClonesSéquençage2 892n/d65823Haemophilius influenzae RdAléatoirePopulationFootprint1 65760267040Streptococcus pneumoniae Rx-1CibléeClonesFormation de colonies2 043234113n/dcStreptococcus pneumoniae D39CibléeClonesFormation de colonies2 043560133n/dcStreptococcus pyogenes 5448AléatoireTransposonSéquençage de transposon1 865n/d22712Streptococcus pyogenes NZ131AléatoireTransposonSéquençage de transposon1 700n/d24114Streptococcus sanguinis SK36CibléeClonesFormation de colonies2 2702 05221810aMycobacterium tuberculosis H37RvAléatoirePopulationPuce à ADN3 9892 56761415Mycobacterium tuberculosisAléatoireTransposonn/d3 989n/d40110Mycobacterium tuberculosis H37RvAléatoireTransposonSéquençage Nouvelle Génération3 989n/d77419Mycobacterium tuberculosis H37RvAléatoireTransposonSéquençage Nouvelle Génération3 9893 36462516h, iMycobacterium tuberculosisInformatiqueInformatique3 989n/d2837Bacillus subtilis 168CibléeClonesFormation de colonies4 1053 8302617a, d, gEscherichia coli K-12 MG1655AléatoirePopulationFootprint4 3083 12662014Escherichia coli K-12 MG1655CibléeClonesFormation de colonies4 3082 001n/dn/da, eEscherichia coli K-12 MG1655CibléeClonesFormation de colonies4 3903 9853037aPseudomonas aeruginosa PAO1AléatoireClonesSéquençage5 5704 78367812aPorphyromonas gingivalisAléatoireTransposonSéquençage1 9901 52746323Pseudomonas aeruginosa PA14AléatoireClonesSéquençage5 6884 4693356a, fSalmonella typhimuriumAléatoireClonesSéquençage4 425n/d257~11b, cHelicobacter pylori G27AléatoirePopulationPuce à ADN1 576117834422Campylobacter jejuniAléatoirePopulationPuce à ADN1 654n/d19512Corynebacterium glutamicumAléatoirePopulationn/d3 0022 35265022Francisella novicidaAléatoireTransposonn/d1 7191 32739223Mycoplasma pulmonis UAB CTIPAléatoireTransposonn/d78247231040Vibrio cholerae N16961AléatoireTransposonn/d3 890n/d77920Salmonella typhiAléatoireTransposonn/d4 646n/d3538Staphylococcus aureusAléatoireTransposonn/d~ 2 600n/d35114Caulobacter crescentusAléatoireTransposonn/d3 767n/d48013Neisseria meningitidisAléatoireTransposonn/d2 158n/d58527Desulfovibrio alaskensisAléatoireTransposonSéquençage3 2582 87138712 n/d = non disponible
Mutagénèse : ciblée correspond à des suppressions de gènes, aléatoire correspond à des insertions de transposons Méthode : clones indique des suppressions uniques de gènes, population indique l'ensemble du type de mutagénèse, par exemple celle qui utilise des transposons. Les gènes essentiels issus des sélections de populations incluent les gènes essentiels pour la fitness. ORFs : nombre de cadres de lecture ouverts dans le génome. Notes : a = collection de mutants disponible ; b = méthode de dépistage directe du caractère essentiel d'un gène (par exemple via un ARN anti-sens) qui ne donne pas d'information à propos des gènes non essentiels ; c = seul une partie du jeu de données est disponible ; d = inclut l'essentialité prédite du gène et la compilation de données issues d'études publiées à propos de gènes essentiels ; e = projet en cours ; f = déduit par comparaison de deux jeux de données de gènes essentiels obtenus de façon indépendante chez les souches de P. aeruginosa PA14 et PAO1 ; g = le résultat originel de 271 gènes essentiels a été réévalué à 261, avec 31 gènes supposés comme essentiels et ne l'étant finalement pas alors que 20 nouveaux gènes essentiels ont été décrits depuis ; h = comptage de gènes avec des domaines essentiels, ainsi que ceux menant à des déficiences dans la croissance lorsque supposés comme essentiels, et ceux avantageant la croissance lorsque supposés comme non essentiels ; i = impliquant une banque de mutant complètement saturée de 14 réplicats avec 84,3 % de sites possibles d'insertion avec au moins une insertion de transposon. 800x800px|Figure 1. Gènes essentiels chez Mycobacterium tuberculosis H37Rv tels qu'identifiés en utilisant des transposons insérés dans des positions aléatoires dans le génome. Si aucun transposon n'est trouvé dans un gène, le gène est probablement essentiel car il ne peut tolérer aucune insertion. Dans cet exemple, les gènes essentiels de la biosynthèse de l'hème que sont hemA, hemB, hemC et hemD sont dépourvus d'insertions. Le nombre de lectures de séquences (reads/TA) est affiché pour la région correspondante du chromosome de H37Rv. Les sites potentiels d'insertion du dinucléotide TA sont indiqués. Figure tirée de Griffin et al., 2011 (référence ).|vignette
Eucaryotes Chez la levure bourgeonnante Saccharomyces cerevisiae, 15 à 20 % des gènes sont essentiels. Chez la levure à fission Schizosaccharomyces pombe, 4 836 suppressions hétérozygotes couvrant 98,4 % des codant des ORFs ont été construites. Parmi elles, 1 260 suppressions se sont avérées correspondre à des gènes essentiels.
Des tests similaires sont plus difficiles à mettre en place dans d'autres organismes pluricellulaires, y compris les mammifères (comme modèles pour les humains), pour des raisons techniques et du fait que leurs résultats soient plus difficilement exploitables. Cependant, plusieurs méthodes ont été développées pour le nématode Caenorhabditis elegans, la drosophile et le poisson-zèbre (voir tableau ci-dessous). Une étude récente portant sur 900 gènes de souris a permis de conclure que 42 % d'entre eux étaient essentiels bien que les gènes sélectionnés n'étaient pas représentatifs.
Des expériences de knock-out ne sont pas réalisables (d'un point de vue éthique) chez les humains. Néanmoins, des mutations naturelles ont permis d'identifier des mutations conduisant à une mort embryonnaire précoce ou tardive. Il est à noter que beaucoup de gènes humains ne sont pas absolument essentiels pour la survie mais peuvent causer des maladies graves lorsqu'ils sont mutés. De telles mutations sont cataloguées dans la base de données OMIM (Online Mendelian Inheritance in Man, ou Héritage mendélien chez l'Homme en français). Dans leur analyse informatique de variations génétiques et de mutations chez 2 472 orthologues humains de gènes essentiels chez la souris, Georgi et ses collaborateurs ont sélectionné une population de gènes forte et purifiée avec des niveaux de variation de séquence comparativement réduits, indiquant que ces gènes humains sont également essentiels.
Même s'il peut être difficile de prouver qu'un gène humain est essentiel, il est possible de démontrer qu'un gène n'est pas essentiel ou ne cause même pas de maladie. Par exemple, le séquençage du génome de citoyens islandais et le génotypage de autres sujets a mis en évidence ayant 1 gène complètement invalidé (à noter que ces personnes étaient homozygotes pour un gène non fonctionnel). Parmi ces derniers, on a estimé que étaient homozygotes et étaient des hétérozygotes composés (soit ayant les deux allèles d'un gène invalidé mais les deux ayant des mutations différentes). Chez ces individus, un total de des gènes humains (6,1 %, base de données RefSeq) étaient complètement invalidés. On en a conclu que ces gènes étaient non essentiels chez l'humain — en tout cas, aucune des maladies associées n'a été diagnostiquée. De la même façon, les séquences exomiques de adultes britanniques d'origine pakistanaise avec un fort taux de consanguinité parentale ont révélé génotypes homozygotes variants rares avec une perte prédite de la fonction d'un gène (KO, soit knock-out) chez 781 gènes. Cette étude a trouvé une moyenne de 140 génotypes prédits comme KO (par individu), dont 16 hétérozygotes rares (fréquence allélique < 1 %), 0,34 homozygotes rares, 83,2 hétérozygotes communs et 40,6 homozygotes communs. Presque tous les génotypes KO homozygotes ont été trouvés au sein de segments autozygotes (94,9 %). Même si la plupart de ces individus n'avaient aucun problème de santé apparent lié à leur gènes défectueux, il est possible que des problèmes de santé mineurs soient trouvés après des examens plus poussés.
Un résumé des tests d'essentialité est disponible dans le tableau ci-dessous (basé principalement sur la Base de données des Gènes Essentiels, ou DEG en anglais). +Tableau 2. Tests d'essentialité chez divers eucaryotes.OrganismeMéthodeGènes essentielsRéférencesArabidopsis thalianaInsertion d'ADN-T777Caenorhabditis elegansInterférence d'ARN294Danio rerioMutagénèse d'insertion288Drosophila melanogasterMutagénèse d'insertion d'éléments mobiles339Homo sapiensRecherche bibliographique118Homo sapiensTest utilisant le complexe CRISPR/Cas 9Homo sapiensTest de piège génétique haploïde~ Homo sapiensOrthologues chez la sourisMus musculusRecherche bibliographiqueSaccharomyces cerevisiaeSuppression d'un seul gène878 Saccharomyces cerevisiaeSuppression d'un seul gèneSchizosaccharomyces pombeSuppression d'un seul gène
Virus
Des tests pour détecter des gènes essentiels ont été réalisés chez quelques virus. Par exemple, on a trouvé chez le Cytomégalovirus humain (CMV en anglais) 41 gènes essentiels, 88 gènes non essentiels et 27 ORFs particuliers (augmenting ORFs en anglais, sur un total de 150). La plupart des gènes essentiels et particuliers se trouvent dans la région centrale du génome viral, et les gènes non essentiels se concentrent généralement près des régions terminales.