Des variantes génétiques qui peuvent agir comme des interrupteurs dirigeant les changements structurels dans les molécules d’ARN qui codent pour les protéines des plantes ont été validées expérimentalement chez les plantes pour la première fois. Les modifications de la structure de l’ARN peuvent affecter la stabilité de la molécule, la façon dont elle interagit avec d’autres molécules et l’efficacité avec laquelle elle peut être traduite en protéine, ce qui peut avoir un impact sur sa fonction et les caractéristiques de la plante. Ces commutateurs génétiques pourraient être un mécanisme génétique important qui a permis aux plantes de s’adapter à leurs microclimats dans le passé et pourraient être vitaux pour l’adaptation future et le développement de cultures résilientes à mesure que les climats continuent de changer.
Un article décrivant la recherche, menée par des scientifiques de Penn State, apparaît dans la revue Biologie du génome.
« Les protéines, qui sont l’une des principales molécules structurelles et fonctionnelles de la vie, sont codées par l’ARN, qui est à son tour codé par l’ADN », a déclaré Sarah M. Assmann, professeur Waller de biologie à Penn State et chef de l’équipe de recherche. . « Les modifications de la séquence d’ADN peuvent donc entraîner des modifications des protéines par l’intermédiaire d’un ARN, mais toutes les modifications de l’ADN n’affectent pas la protéine. Récemment, des variantes génétiques qui ne modifient pas nécessairement la protéine codée, mais modifient plutôt le repliement de l’ARN, ont été associées à maladie humaine. Nous avons cherché à déterminer si des mécanismes similaires existaient chez les plantes et s’ils pouvaient dépendre de variables environnementales.
L’ADN est une molécule à double brin – il ressemble à une échelle torsadée, les rails latéraux représentant les deux brins et les échelons représentant les liaisons qui les maintiennent ensemble. L’ARN, quant à lui, est monocaténaire – imaginez l’échelle coupée en deux au milieu des échelons. Cependant, l’ARN simple brin n’est généralement pas simplement une longue molécule linéaire. Il se replie sur lui-même en formant de courtes sections double brin entre les boucles et les bulles d’ARN simple brin. Cette structure repliée secondaire est déterminée par la séquence d’ARN en conjonction avec le microenvironnement cellulaire et est importante pour la fonction de l’ARN.
La structure repliée d’une molécule d’ARN peut donc être modifiée par des variants génétiques connus sous le nom de «polymorphismes mononucléotidiques» ou SNP – des endroits du génome où une seule lettre de l’alphabet ADN diffère entre deux ou plusieurs individus ou groupes. Ces SNP modifiant la structure de l’ARN sont connus sous le nom de « riboSNitches », combinant « ribo » du R dans l’ARN, « SNP » et « commutateurs ».
« Nous étudions Arabidopsis, un organisme modèle pour la biologie végétale », a déclaré Ángel Ferrero-Serrano, professeur de recherche adjoint en biologie à Penn State et premier auteur de l’article. « Au cours de la dernière décennie, l’avènement des technologies à haut débit a généré de grandes quantités de données génétiques et de descriptions physiques des variétés d’Arabidopsis collectées dans l’aire de répartition naturelle de l’espèce. Des spécimens d’Arabidopsis provenant d’endroits à travers le monde ont eu leurs génomes entiers séquencés. Nous avons récemment développé un ensemble d’outils informatiques, CLIMtools, qui nous permet de déterminer les associations entre la variation génétique de l’ADN entre les variétés d’Arabidopsis collectées dans leur aire de répartition d’origine et un large ensemble de variables climatiques qui définissent les environnements locaux de ces variétés. outils pour trouver des SNP associés à des variables de température, puis testé si l’un des SNP a agi comme des riboSNitches.
L’équipe a pris l’ensemble de SNP associés aux changements de température et l’a encore réduit en recherchant les SNP qui étaient également associés à des changements dans l’abondance de l’ARN, qui résultent souvent de changements dans le repliement de l’ARN. Ils ont ensuite appliqué un algorithme de structure d’ARN pour voir si l’un des SNP devait entraîner des changements structurels, et ont choisi deux gènes à valider expérimentalement.
« Nous avons testé la stabilité de courtes molécules d’ARN synthétiques qui incluent les riboSNitches potentiels par rapport à la séquence de référence standard de ce même tronçon d’ARN, sur une plage de températures », a déclaré Ferrero-Serrano. « Sur la base de nos expériences, les SNP des deux gènes semblent agir comme des riboSNitches, dont l’un modifie en particulier la stabilité de la structure de l’ARN d’une manière dépendante de la température. Nous suggérons le terme » riboSNitches conditionnels « pour désigner les riboSNitches qui dépendent de variables environnementales. »
Après avoir démontré expérimentalement l’existence de riboSNitches chez Arabidopsis, l’équipe a ensuite réalisé une étude informatique massive pour prédire les riboSNitches potentiels à travers les génomes de centaines de variétés d’Arabidopsis séquencées différentes. Sur plus de 3,8 millions de SNP qui ont été évalués, plus d’un million, soit environ 27 %, ont le potentiel d’agir comme des riboSNitches.
« Les plantes ne peuvent pas se déplacer, donc l’adaptation à leur environnement local favorise la survie », a déclaré Assmann. « Nous savons maintenant que les riboSNitches sont une autre flèche dans le carquois des outils génétiques disponibles pour les plantes pour cette adaptation et qu’ils peuvent être conditionnels à des variables environnementales. »
Avec CLIMtools, l’équipe a créé un ensemble de ressources pour étudier les relations entre la variation génétique chez Arabidopsis et l’environnement. Ils espèrent que cela permettra à la communauté scientifique de mieux comprendre comment les plantes se sont adaptées aux environnements locaux et comment elles peuvent continuer à prospérer à mesure que les climats changent.
« Un accès facile aux données va être essentiel pour résoudre les défis actuels de l’agriculture de manière durable », a déclaré le Dr Doreen Ware, scientifique de l’USDA ARS au Cold Spring Harbor Laboratory. « Nous sommes ravis d’héberger CLIMtools au sein de Gramene, notre portail en ligne de génomique fonctionnelle comparative, car il contient de nouvelles ressources pour accéder à des informations sur la variation génétique permanente qui seront utiles pour l’adaptation au climat, ainsi que des informations pouvant être utilisées pour l’édition de gènes. approches pour créer de nouveaux allèles dans des cultures importantes sur le plan agricole. »
Les techniques utilisées pour cette étude vont de la biophysique à la biologie moléculaire en passant par l’écologie.
« Nous avons réuni une équipe diversifiée de chercheurs à Penn State, allant d’un étudiant de premier cycle à un étudiant diplômé, en passant par un professeur de recherche, et ce fut un plaisir de travailler avec eux et le professeur Assmann ainsi qu’avec nos collègues du Cold Spring Harbor Laboratory. « , a déclaré Philip C. Bevilacqua, éminent professeur de chimie, de biochimie et de biologie moléculaire à Penn State. « La découverte que la variation de séquence peut se manifester dans la variation de la structure de l’ARN a des implications à long terme pour la modulation du rendement des cultures face à des conditions climatiques défavorables. »
Ángel Ferrero-Serrano et al, Démonstration expérimentale et prédiction pan-structurome des riboSNitches associées au climat chez Arabidopsis, Biologie du génome (2022). DOI : 10.1186/s13059-022-02656-4