Des chercheurs révèlent le chemin évolutif de protéines importantes

Une nouvelle recherche de l’Université du Wisconsin-Madison décode la voie évolutive des protéines régulatrices, les molécules qui aident à contrôler l’expression des gènes.

Le laboratoire Raman du département de biochimie a récemment publié leurs découvertes dans la revue Systèmes cellulaires. Voici un aperçu de ce qu’ils ont découvert :

Quelles informations générales devez-vous connaître ?

Les pinsons des Galapagos, décrits par Darwin, sont souvent utilisés comme exemple par excellence de l’évolution. Au fil du temps, des mutations génétiques naturelles ont entraîné de petits changements progressifs dans l’apparence des oiseaux. Les changements qui ont donné un avantage aux pinsons ont été transmis aux générations suivantes, aboutissant finalement à une variété de formes de bec et de corps bien adaptées aux divers régimes alimentaires et techniques de recherche de nourriture.

Les biomolécules évoluent également au fil du temps pour acquérir de nouvelles fonctions et perdre celles qui ne sont pas nécessaires en réponse aux changements dans l’environnement d’une cellule, comme l’exposition à de nouvelles molécules ou l’introduction d’agents pathogènes. Cette évolution est un processus continu qui favorise les mutations permettant aux organismes de fonctionner de manière efficace et efficiente.

Par exemple, les scientifiques savent que les enzymes, une classe de protéines responsables du déclenchement et de l’accélération des réactions biochimiques, évoluent progressivement. Les mutations individuelles s’accumulent, donnant finalement à l’enzyme une nouvelle fonction dans une cellule.

Cependant, ce schéma d’évolution ne s’applique pas à toutes les classes de protéines.

Pourquoi les modèles évolutifs diffèrent-ils entre les protéines ?

Alors que certaines protéines peuvent évoluer progressivement pour modifier leurs fonctions, remplissant parfois même plusieurs fonctions au cours des étapes du processus, les protéines régulatrices ont un système plus délicat à équilibrer.

Les protéines régulatrices aident à contrôler l’expression des gènes, en les activant et en les éteignant comme un interrupteur. Si un seul interrupteur contrôle l’expression de plusieurs gènes, il devient plus difficile de contrôler l’expression d’un seul de ces gènes.

C’est pourquoi les protéines régulatrices ont généralement un ensemble limité de fonctions : l’exécution de plusieurs fonctions liées peut entraîner des effets catastrophiques, notamment la mort cellulaire, une altération de l’expression des gènes ou une division cellulaire incontrôlée, pouvant entraîner l’apparition de tumeurs. Les enjeux de mutation et d’évolution sont plus élevés lorsque la fonction d’une protéine est si importante et complexe.

Comment les scientifiques ont-ils progressé ?

Pour mieux comprendre la trajectoire évolutive des protéines régulatrices, Vatsan Raman et les chercheurs de son laboratoire ont cartographié l’évolution au fil des millénaires d’un type spécifique de protéine régulatrice appelée régulateur transcriptionnel. Cette protéine aide à contrôler la vitesse à laquelle l’ARN est synthétisé à partir de l’ADN.

Ils ont extrapolé l’historique probable des mutations de la protéine à l’aide d’une modélisation informatique. Cette approche leur a donné des centaines de séquences d’ADN supplémentaires représentant l’histoire évolutive de la protéine par rapport à celles utilisées dans les études antérieures. À l’aide de ces données, ils ont suivi les mutations probables de la protéine, ainsi que les gains et pertes de fonctions qui en résultent, révélant ainsi un nouveau modèle évolutif.

Contrairement aux schémas progressifs observés dans les enzymes, les protéines régulatrices de la transcription gagnent ou perdent rapidement leur fonction lorsqu’elles acquièrent des mutations. Ce changement rapide les aide à maintenir leur rôle unique en se liant à des molécules spécifiques, les empêchant ainsi de remplir plusieurs rôles simultanément.

Raman et son équipe pensent que le modèle évolutif révélé par leur étude dans les régulateurs transcriptionnels peut également être observé dans d’autres protéines régulatrices. Une compréhension plus approfondie du paysage évolutif des régulateurs transcriptionnels aidera les scientifiques à concevoir de nouveaux régulateurs pour contrôler les circuits génétiques, détecter les molécules, concevoir des voies de biosynthèse et surveiller les métabolites cellulaires, ouvrant ainsi la porte à de nouvelles découvertes biomédicales et biotechnologiques.