Augmenter la diversité des protéines

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L’une des questions les plus importantes en biologie est la rapidité avec laquelle de nouvelles protéines évoluent dans les organismes. Les protéines sont les éléments constitutifs qui assurent les fonctions de base de la vie. À mesure que les gènes qui les produisent changent, les protéines changent également, introduisant de nouvelles fonctionnalités ou caractéristiques qui peuvent éventuellement conduire à l’évolution de nouvelles espèces.

Des gènes non codants peuvent évoluer 

Une nouvelle étude publiée dans Nature Ecology and Evolution et dirigée par des scientifiques de l’Université de Chicago remet en question l’une des hypothèses classiques de l’évolution des nouvelles protéines. Cette recherche montre que des sections d’ADN aléatoires et non codantes peuvent rapidement évoluer pour produire de nouvelles protéines. Ces gènes de novo, ou «à partir de zéro», fournissent une nouvelle façon inexplorée de faire évolue les protéines et ainsi contribuant à la biodiversité.

«En utilisant une comparaison de grands génomes, nous montrons que les séquences non codantes peuvent évoluer en protéines totalement nouvelles. C’est une énorme découverte », a déclaré Manyuan Long, PhD, professeur de service distingué Edna K. Papazian en écologie et évolution à UChicago et auteur principal de cette nouvelle étude.

Une troisième façon pour les gènes d’évoluer

Pendant des décennies, les scientifiques ont estimé qu’il n’y avait que deux manières dont les nouveaux gènes évoluaient: la duplication et la divergence ou la recombinaison. Au cours du processus normal de réplication et de réparation, une partie de l’ADN est copiée et crée une version dupliquée du gène. Ensuite, une de ces copies peut acquérir des mutations dont les fonctionnalités changent suffisamment pour qu’elle diverge et devienne un nouveau gène distinct.

Avec la recombinaison, des morceaux de matériel génétique sont remaniés pour créer de nouvelles combinaisons et de nouveaux gènes. Cependant, ces deux méthodes ne représentent qu’un nombre relativement petit de protéines, étant donné le nombre total de combinaisons possibles d’acides aminés qui les composent.

Les scientifiques s’interrogent depuis longtemps sur un troisième mécanisme, dans lequel les gènes de novo pourraient évoluer à partir de zéro. Tous les organismes possèdent de longues étendues de matériel génétique qui ne codent pas les protéines, parfois jusqu’à 97% du génome total. Est-il possible pour ces sections non codantes d’acquérir des mutations qui les rendraient soudainement fonctionnelles?

Cela a été difficile à étudier car il nécessitait des génomes de référence de haute qualité provenant de plusieurs espèces étroitement apparentées qui présentaient à la fois les séquences ancestrales non codantes et les nouveaux gènes qui en ont découlé. Sans cette ligne d’évolution claire et visible, il n’y a aucun moyen de prouver qu’il s’agit vraiment d’un gène de novo.

Les supposés nouveaux gènes décrits précédemment pourraient simplement être un «gène orphelin» qui a divergé ou transféré à un moment donné d’organismes non apparentés, puis toutes les traces de ses prédécesseurs auraient disparu.

Plus de 300 nouveaux peptides

Pour relever ces défis, l’équipe a tiré parti de 13 nouveaux génomes séquencés provenant de 11 espèces de plantes de riz étroitement apparentées, notamment l’Oryza sativa, la culture vivrière la plus répandue. Elle a travaillé avec des groupes dirigés par le professeur Rod Wing de l’Université de l’Arizona. Le professeur Yidan Ouyang de l’Université agricole de Huazhong, en Chine, a également dirigé une équipe qui a cultivé ses propres plants de riz à Hainan, une île tropicale au large de la côte Sud de la Chine, et les a récoltés pour un échantillonnage protéomique.

citation1Après avoir analysé les génomes de ces plantes, ils ont détecté au moins 175 gènes de novo. Un autre groupe, dirigé par le professeur Siqi Liu, de BGI-Shenzhen, un centre de séquençage du génome situé à Shenzhen, dans le Guangdong, en Chine, a ensuite analysé l’activité de la protéine par spectrométrie de masse. Ils ont trouvé des preuves que 57% de ces gènes étaient effectivement traduits en nouvelles protéines, dont plus de 300 nouveaux peptides.

Long dit que les plantes d’Oryza sont de bons génomes pour la recherche de gènes de novo car elles sont relativement jeunes – vous pouvez encore voir des preuves de l’évolution de leurs génomes existants. « Les 11 espèces ont divergé les unes des autres il y a seulement trois ou quatre millions d’années, alors ce sont toutes des jeunes espèces », a-t-il déclaré.

«Pour cette raison, lorsque nous séquençons les génomes, toutes les séquences sont très similaires. Ils n’ont pas accumulé plusieurs générations de modifications, de sorte que toutes les sections précédentes non codantes sont toujours présentes. »

Long et son équipe veulent ensuite étudier ces nouvelles protéines pour mieux comprendre leur fonction et leur évolution et voir s’il existe une particularité dans leur structure. Si les gènes de novo ouvrent une voie d’évolution inexplorée, ils pourraient révéler des mécanismes permettant de créer de nouvelles fonctions améliorées.

Par exemple, les chercheurs ont détecté des preuves de sélection naturelle agissant pour fixer les insertions et les délétions dans le génome afin de générer de nouvelles séquences protéiques, et l’évolution de la séquence vers une amélioration de la fonctionnalité.

Un bénéfice est ajouté à chaque étape

«Ces nouvelles protéines pourraient améliorer certaines fonctions ou aider à mieux réguler les gènes», a-t-il déclaré. « À chaque étape du processus, ils peuvent apporter un bénéfice quelconque à l’organisme jusqu’à ce qu’il se fixe progressivement dans le génome. » Ce qui au final permet de produire des espèces de riz plus nutritives.

Source : University of Chicago Medicine
Crédit photo : Pixabay

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