La transduction et la perception du signal régulent les activités biologiques pour s’adapter aux environnements changeants. Le Domaines Pert-Arnt-Sim sont des capteurs couramment disponibles que l’on trouve sur divers récepteurs chez les bactéries, les eucaryotes et les archées. Cependant, l’étendue de leur diversité fonctionnelle et leur répartition dans l’arbre de vie restent à caractériser.
Dans un nouveau rapport en Avancées scientifiques, Jiawei Xing et une équipe de scientifiques en biologie et en données translationnelles de l’Ohio State University, aux États-Unis, ont utilisé la conservation des séquences et les informations structurelles pour proposer des fonctions spécifiques et potentielles pour près de trois millions de domaines Pert-Arnt-Sim (en abrégé domaines PAS). . Les travaux suggèrent l’origine de ces domaines chez les bactéries et leur transfert horizontal vers les archées et les eucaryotes. La relation étroite entre les domaines entre les humains et les bactéries offre une opportunité unique de piloter la conception de médicaments.
L’influence des domaines de capteurs sur les voies biologiques
Les voies de transduction du signal sont des voies centrales dans toutes les cellules vivantes qui détectent les nutriments, les hormones, l’oxygène et le potentiel redox pour réguler diverses fonctions cellulaires. Ces signaux peuvent être reconnus par les protéines réceptrices en utilisant des domaines de capteurs dédiés. Les domaines PAS se trouvent dans les facteurs de transcription, les protéines kinases et les enzymes régulant le renouvellement des messagers et les chimiorécepteurs. Bien que les domaines capteurs soient généralement extracytoplasmiques, ces domaines sont principalement cytoplasmiques. De plus, les domaines PAS présents dans les facteurs de transcription humains sont des cibles médicamenteuses clés pour le traitement du cancer.
Dans ce travail, Xing et al. a fourni une analyse génomique comparative approfondie des domaines PAS chez les bactéries, les archées et les eucaryotes. L’équipe a montré les origines des domaines PAS chez les bactéries et comment leurs fonctions sensorielles ont évolué par différentes voies. Les eucaryotes ont atteint les domaines PAS à partir de bactéries grâce à divers événements de transfert de gènes indépendants.
La similitude des domaines PAS humains avec ceux des bactéries suggère la fonctionnalité de ces protéines en tant que modèles utiles pour déterminer la spécificité du signal par rapport à ses homologues humains. Ces résultats ouvrent la voie à l’exploration d’études fonctionnelles et au développement de médicaments dans les domaines PAS, tout en servant de cadre pour étudier des familles de protéines aux fonctions diverses et polyvalentes.
Répartition des domaines PAS dans l’arbre de vie
Depuis la découverte initiale de la superfamille PAS, la distribution des domaines reste à étudier systématiquement à travers l’arbre de vie. Xing et ses collègues ont recherché ces domaines dans l’ensemble des protéomes de référence pour établir la présence du domaine dans 66 % des protéomes archéens, 93 % des protéomes bactériens et 93 % des protéomes eucaryotes. Les domaines étaient largement présents dans les phylums bactériens, bien qu’inégalement répartis chez les archées et largement distribués chez les eucaryotes.
Les scientifiques ont collecté toutes les protéines contenant du PAS dans la base de données InterPro et ont identifié la composition de leurs domaines. Alors que les histidine kinases sont les protéines PAS les plus courantes chez les bactéries et les archées, les facteurs de transcription sont plus disponibles chez les eucaryotes. Les génomes archéens et bactériens codaient en moyenne davantage de protéines et de domaines que les génomes eucaryotes.
La classification existante des domaines PAS ne reflète pas leurs fonctions biologiques
La base de données actuelle pfam des familles de protéines classe le domaine PAS en 17 familles. Pour déterminer si la classification actuelle des domaines PAS reflète leur fonction biologique, Xing et al. mené une recherche documentaire approfondie. Les travaux ont montré que la classification existante des domaines PAS ne reflétait pas les fonctions sensorielles.
L’équipe a également mené une recherche BLAST à l’aide de séquences de familles. Ils ont poursuivi ces expériences en identifiant les familles PAS à l’aide de la séquence et des informations structurelles de la base de données de séquences de référence NCBI, ainsi que de l’ensemble de la base de données pfam.
Principales conclusions
Xing et ses collègues ont montré que ces domaines ont des séquences courtes et diverses qui compliquaient leur analyse phylogénétique. Cependant, les domaines partageaient le même pli structurel. L’équipe a échantillonné 1 % des séquences de chaque groupe et construit des arbres phylogénétiques via une approche guidée par la structure pour des séquences courtes et diverses.
Ils ont noté la séquence, les informations structurelles et phylogénétiques suggérant que les domaines PAS dans de tels groupes ont développé indépendamment les capacités de liaison à l’hème. L’étude a également révélé que les domaines eucaryotes PAS avaient des origines bactériennes, ainsi qu’une capacité à offrir des cibles médicamenteuses prometteuses.
Perspectives
De cette manière, l’équipe de recherche a mené une étude à l’échelle du génome des domaines PAS (Pert-Arnt-Sim) 24 ans après la analyse la plus récente. Dans ce travail, l’équipe a analysé près de 3 millions de domaines PAS provenant de génomes à grande échelle de bactéries, d’archées et d’eucaryotes. Les chercheurs ont présenté les résultats sur l’évolution, le paysage génomique et la diversification fonctionnelle des capteurs biologiques. Les résultats ont montré que plusieurs domaines PAS étaient présents dans diverses formes de vie, tout en les identifiant également dans les principaux types de protéines de transduction de signal.
Étant donné que les systèmes de classification existants sont dans une certaine mesure obsolètes, Xing et son équipe ont utilisé plusieurs méthodes pour produire un meilleur système de classification dans ce travail. L’étude a révélé les domaines PAS en tant que capteurs moléculaires universels permettant de concevoir des expériences ciblées pour validation et études plus approfondies.
Plus d’information:
Jiawei Xing et al, Origine et diversification fonctionnelle du domaine PAS, un capteur intracellulaire omniprésent, Avancées scientifiques (2023). DOI : 10.1126/sciadv.adi4517
Gregg L. Semenza, Facteurs inductibles par l’hypoxie en physiologie et médecine, Cellule (2012). DOI : 10.1016/j.cell.2012.01.021
© 2023 Réseau Science X