Des chercheurs de l’Université de Leipzig ont résolu une énigme dans l’évolution des enzymes bactériennes. En reconstruisant un candidat pour une ARN polymérase spéciale telle qu’elle existait il y a environ 2 milliards d’années, ils ont pu expliquer une propriété jusqu’ici déroutante des enzymes modernes correspondantes.
Contrairement à leurs ancêtres, ils ne fonctionnent pas en continu et sont donc nettement plus efficaces – ces pauses dans l’activité constituent un progrès évolutif. La reconstruction de la protéine de la préhistoire a été rendue possible grâce à une coopération interdisciplinaire entre la biochimie moléculaire et la bioinformatique.
Les résultats de la recherche ont été publiés dans la revue Biologie moléculaire et évolution. Les enzymes étudiées sont des ARNt nucléotidyltransférases : des enzymes qui attachent trois blocs de construction nucléotidiques de la séquence CCA à de petits ARN de la cellule (appelés ARN de transfert) afin qu’ils puissent ensuite fournir des acides aminés pour la synthèse des protéines.
Grâce à des reconstructions phylogénétiques, une équipe de chercheurs dirigée par le professeur Mario Mörl (biochimie) et la professeure Sonja Prohaska (bioinformatique) a reconstruit un candidat pour une telle enzyme ancestrale telle qu’elle existait dans les bactéries il y a environ 2 milliards d’années. L’équipe de recherche a ensuite comparé les propriétés de l’ARN polymérase reconstruite avec celles d’une enzyme bactérienne moderne.
Les deux enzymes fonctionnent avec une précision similaire, mais affichent de nettes différences en termes de réaction. Jusqu’à présent, il n’était pas possible de reconnaître la tendance des enzymes modernes à interrompre à plusieurs reprises leur activité comme un avantage évolutif. Ce phénomène avait intrigué les biochimistes pendant des décennies. Ce n’est que par comparaison avec le mode d’activité de l’enzyme reconstruite que le mystère est aujourd’hui résolu.
L’enzyme ancestrale est processive, c’est-à-dire qu’elle fonctionne sans interruption, mais supprime de temps en temps les blocs de construction nucléotidiques qui ont déjà été correctement ajoutés. Les résultats montrent que l’on peut en apprendre beaucoup sur l’évolution et les propriétés des enzymes modernes à partir des reconstructions enzymatiques, et que de nombreuses questions ne peuvent être résolues que par l’interaction entre la bioinformatique et la biochimie – dans un va-et-vient entre les calculs informatiques et les expériences de laboratoire.
Glisser dans le passé en retraçant les relations
En utilisant des séquences de gènes, des arbres phylogénétiques évolutifs peuvent également être créés à partir de bactéries. À partir de la grande diversité d’organismes d’aujourd’hui dans un arbre d’espèces, le chemin évolutif des gènes individuels peut être reconstruit le long des relations et des branches, et minutieusement retracé jusqu’à une origine commune.
La reconstruction est essentiellement un processus en trois étapes. Tout d’abord, des bases de données sont recherchées pour les enzymes modernes correspondantes afin de pouvoir examiner la séquence des blocs de construction d’acides aminés. Les séquences obtenues peuvent ensuite être utilisées pour calculer à quoi aurait dû ressembler la séquence originale. La séquence de gènes correspondante codant pour l’ancienne enzyme est ensuite introduite dans des bactéries de laboratoire afin qu’elles forment la protéine souhaitée. L’enzyme peut ensuite être étudiée en détail pour déterminer ses propriétés et comparée aux enzymes modernes.
« Lorsque le laboratoire a appris que l’enzyme reconstruite effectuait l’addition de CCA, et le fait même dans une plage de températures plus large que les enzymes d’aujourd’hui, c’était la percée », se souvient Sonja Prohaska.
Optimisation évolutive : les pauses d’activité augmentent l’efficacité
Comme les organismes, les enzymes sont également optimisées par l’évolution. Le travail (catalyse) effectué par une enzyme est généralement plus rapide et meilleur, plus elle peut lier son substrat. L’enzyme ancestrale reconstruite fait précisément cela, elle s’accroche au substrat, l’ARNt, et attache les trois nucléotides CCA les uns après les autres sans les lâcher.
Les nucléotidyltransférases ARNt modernes, quant à elles, sont distributives, c’est-à-dire qu’elles fonctionnent par étapes avec des pauses au cours desquelles elles libèrent à plusieurs reprises leur substrat. Néanmoins, ils sont plus efficaces et plus rapides que leurs prédécesseurs ancestraux. Cela a intrigué les chercheurs. Pourquoi les enzymes modernes continuent-elles à lâcher leur substrat ?
L’explication réside dans le phénomène de réaction inverse, dans lequel les nucléotides incorporés sont à nouveau éliminés par l’enzyme. Alors que la forte liaison de l’enzyme ancestrale au substrat entraîne une élimination ultérieure, la réaction inverse dans les enzymes modernes est presque complètement empêchée en lâchant le substrat. Cela leur permet de travailler plus efficacement que leurs prédécesseurs.
« Nous avons enfin pu expliquer pourquoi les ARNt nucléotidyltransférases modernes fonctionnent si efficacement malgré leur nature distributive », déclare Mario Mörl. « La découverte nous a complètement surpris dans l’équipe. Nous ne nous attendions à rien de tel. Nous nous sommes posé la question il y a 20 ans et maintenant nous pouvons enfin y répondre en utilisant des méthodes de reconstruction bioinformatique. Cette coopération étroite entre la bioinformatique et la biochimie a existé dans Leipzig pendant plusieurs années et s’est avéré, pas pour la première fois, être un grand avantage pour les deux équipes. »
Plus d’information:
Martina Hager et al, Substrat affinité versus efficacité catalytique : la reconstruction de la séquence ancestrale des nucléotidyltransférases d’ARNt résout un casse-tête enzymatique, Biologie moléculaire et évolution (2022). DOI : 10.1093/molbev/msac250