Imaginez que vous êtes à deux doigts de changer d’apparence. Un seul mouvement et vos cheveux bruns deviennent blond platine. Ce n’est pas très éloigné de ce qui se passe chez certains procaryotes, ou organismes unicellulaires, comme les bactéries, qui subissent ce qu’on appelle des inversions.
Une étude menée par des scientifiques de Stanford Medicine a montré que les inversions, qui provoquent un retournement physique d’un segment d’ADN et modifient l’identité génétique d’un organisme, peuvent se produire au sein d’un seul gène, remettant en cause un dogme central de la biologie : un gène ne peut coder que pour une seule protéine.
« Les bactéries sont encore plus cool que je ne le pensais au départ, et je suis microbiologiste, donc je pensais déjà qu’elles étaient plutôt cool », a déclaré Rachael Chanin, Ph. D., chercheuse postdoctorale en hématologie. Les microbiologistes savent depuis des décennies que les bactéries peuvent inverser de petites sections de leur ADN pour activer ou désactiver des gènes, a déclaré Chanin. À la connaissance de l’équipe, cependant, ces morceaux de culbute n’ont jamais été trouvés dans les limites d’un seul gène.
De la même manière que l’inversion de l’ordre des lettres du mot « chien » peut changer complètement le sens d’une phrase (« je suis un chien » contre « je suis un dieu »), l’inversion intragénique consiste essentiellement à recoder la génétique de la bactérie en utilisant le même matériel. Cela peut entraîner l’activation d’un gène, l’arrêt de son activité ou une séquence qui code pour la création d’une protéine différente lorsqu’elle est inversée.
« Je me souviens avoir vu les données et je me suis dit : « C’est impossible, c’est trop fou pour être vrai », a déclaré Ami Bhatt, professeur de génétique et de médecine. « Nous avons ensuite passé les années suivantes à essayer de nous convaincre que nous avions fait une erreur. Mais pour autant que nous le sachions, ce n’est pas le cas. »
UN étude détaillant les conclusions des scientifiques a été publié le 25 septembre dans Nature. Chanin et l’ancien chercheur postdoctoral Patrick West, Ph.D., ont codirigé l’étude. Bhatt en est l’auteur principal.
Volte-face
Dans les années 1920, les scientifiques ont découvert les premiers signes d’inversion alors qu’ils cherchaient un traitement contre la salmonelle. Ils ont essayé de collecter des anticorps sur des animaux infectés par la bactérie dans l’espoir que les molécules immunitaires pourraient être transférées à d’autres animaux et éviter l’infection. Mais cela n’a jamais fonctionné : même les souches bactériennes qu’ils savaient être génétiquement identiques ont pu se défendre. Les scientifiques savent aujourd’hui que l’évasion s’est faite grâce à une inversion qui a recodé la bactérie de manière à lui permettre d’échapper à l’immunité des animaux.
Depuis, les microbiologistes ont découvert des inversions dans de petits segments d’ADN de divers types de procaryotes. Mais Bhatt et son équipe se sont demandé si elles pouvaient également se produire au sein d’un seul gène. West a créé un algorithme, appelé PhaVa, qui identifie les inversions possibles au sein des génomes bactériens.
Le logiciel télécharge essentiellement des milliers de segments de séquences de génomes provenant de divers procaryotes et recherche les régions qui semblent « réversibles » (des segments contenant ce qu’on appelle des répétitions inversées, qui ont une qualité palindromique redondante (par exemple, ATTCC et CCTTA)) de l’autre côté de l’inversion potentielle.
L’algorithme crée un catalogue de ce à quoi ces séquences ressembleraient si elles étaient inversées, et il établit des comparaisons entre les génomes inventés et la séquence réelle. Il compte ensuite les régions où les séquences inversées et non inversées sont présentes dans le génome d’un organisme, chaque correspondance indiquant une inversion probable.
Le logiciel a identifié des milliers d’inversions qui existent chez les bactéries et autres espèces procaryotes, révélant pour la première fois que des inversions se produisent au sein des gènes. Cela a fait naître l’idée que non seulement des inversions monogéniques se produisent, mais qu’elles peuvent être relativement courantes, a déclaré Bhatt.
« Cela nous a vraiment surpris », a déclaré Bhatt. « À notre connaissance, cela ne s’était jamais produit auparavant. »
Une grande question demeure : quelles sont les causes d’une inversion ? L’équipe soupçonne que des enzymes spécifiques interviennent dans ce phénomène, ainsi que certains signaux environnementaux qui provoquent ce changement.
« C’est une tâche à accomplir maintenant », a déclaré Bhatt. « L’une de nos prochaines étapes consiste à essayer de décoder la grammaire moléculaire afin de pouvoir créer une base de données d’enzymes et une base de données des répétitions inversées qu’elles inversent. »
Interprétation des inversions
Bien qu’il reste encore beaucoup à comprendre sur les inversions, Bhatt voit un potentiel pour de nombreuses applications. « Il s’agit en fait d’un type de régulation génétique héréditaire et réversible », a-t-elle déclaré.
Elle avance l’hypothèse que les scientifiques pourraient un jour utiliser les inversions pour créer un système bactérien commutable permettant de contrôler l’expression de leurs gènes, ce qui pourrait relever de la recherche en biologie synthétique. Ou peut-être existe-t-il des liens entre certaines maladies et l’état des inversions bactériennes, auquel cas il pourrait y avoir un moyen de changer l’état des bactéries et de réguler une maladie.
« Ce type d’adaptation se cache sous nos yeux, attendant que le bon outil, la bonne technologie et la bonne question biologique soient posés », a déclaré Chanin. « Et cela me fait me demander combien d’autres secrets bactériens attendent simplement que nous les découvrions ? »
Des chercheurs de l’Université de Princeton ont contribué à cette étude.
Plus d’informations :
Ami Bhatt, Les inversions intragéniques de l’ADN augmentent la capacité de codage des bactéries, Nature (2024). DOI : 10.1038/s41586-024-07970-4. www.nature.com/articles/s41586-024-07970-4